Sezione 19.8: Commutazione Su  Capitolo 19: Reti a commutazione di circuito Sezione 19.10: Riferimenti 

19.9  Appendici

19.9.1  Plain old telephony services (POTS↓)

Il buon vecchio servizio telefonico consiste nel collegamento audio, nella banda del canale telefonico, attuato mediante un terminale di utente (telefono), e nella segnalazione (sempre di utente) necessaria ad instaurare il collegamento. L’insieme degli apparati che permette di interconnettere tra loro i telefoni di rete fissa è spesso indicato con l’acronimo pstn↓ (Public Switched Telephone Network), da cui si sono evoluti tutti gli sviluppi successivi delle telecomunicazioni.
figure apparecchio_telefonico.jpg
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 [996]   [996] In inglese si dice andare off-hook, con riferimento storico al gancio su cui riporre la cornetta, presente nei primi modelli di telefono., nel telefono si chiude un interruttore che determina lo scorrimento di una corrente continua nel subscriber loop, indicando la risposta da parte del chiamato. Se viceversa siamo dal lato chiamante, sollevando la cornetta allertiamo la centrale di accesso, la quale dopo aver riservato le risorse necessarie (ivi compreso un time-slot in uno dei flussi pcm uscenti) ci manifesta la sua disponibilità ad acquisire il numero che intendiamo comporre, mediante l’invio di un tono di centrale.
All’interno del telefono troviamo un particolare trasformatore a quattro porte, detto ibrido↓ [997]  [997] http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_coil, in grado di separare il segnale in ingresso da quello in uscita, in modo da inviare il primo all’altoparlante, 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, dei motori passo-passo che determinavano l’azionamento dei commutatori di centrale.
 
Utente -> Centrale
figure tastiera_dtmf.jpg
da estremo a estremo
figure segnalazione_utente.jpg
Centrale -> Utente
(tempi in msec)

figure toni_di_centrale.jpg
Figura 19.35 Segnalazione di utente
Il disco combinatore è stato poi soppiantato dalla attuale tastiera numerica dtmf (Dual Tone Multi Frequency), in cui ad ogni tasto (vedi lato sinistro della fig. 19.35↑) sono associate due frequenze che individuano la cifra (od il simbolo * e #) premuta, come descritto dalla figura. Viceversa, la segnalazione di utente nella direzione centrale -> utente avviene per mezzo di un codice basato su di un tono intermittente a 440 Hz [998]   [998] corrispondente al la centrale del pianoforte. Ho provato a verificare, e... a me arriva un la bemolle!, le cui durate sono descritte in basso a sinistra nella figura.
A seguito della ricezione del numero, la centrale di origine coinvolge il resto della rete, impegnando risorse della stessa, ed individuando quali nodi attraversare per giungere a destinazione (fase di istradamento, in inglese routing). Una volta contattata la centrale di destinazione, questa provvede a far squillare il telefono chiamato, ed inviare indietro un segnale di RingBack↓ che produce presso il chiamante un tono di libero, oppure un segnale di occupato (Busy), nel caso in cui il chiamato sia già impegnato in altra conversazione.
Il risultato dei messaggi di segnalazione di utente è esemplificato nel lato destro di fig. 19.35↑, in cui è evidenziato come ogni conversazione è in realtà composta da tre fasi imprescindibili:
Il passaggio dalla telefonia analogica 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.

19.9.2  ISDN↓

La Integrated Service Data Network [999]  [999] http://it.wikipedia.org/wiki/ISDN è una modalità di accesso numerico alla rete telefonica, definito da una serie di standard reperibili presso l’itu [1000]  [1000] http://www.itu.int/rec/T-REC-I/e. In isdn la conversione a/d avviene all’interno del terminale di utente, il quale può collegare allo stesso bus isdn (interfaccia S [1001]   [1001] http://hea-www.harvard.edu/~fine/ISDN/n-isdn.html 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 [1002]   [1002] http://www.ralphb.net/ISDN/ifaces.html, su cui è trasmesso un segnale a quattro livelli noto come 2B1Q [1003]   [1003] http://it.wikipedia.org/wiki/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
figure isdn-bri.jpg
numerico di banda base a 144 kbps, in cui trova posto una struttura di trama [1004]  [1004] http://telemat.die.unifi.it/book/corso_telematica/lez_100/grp_4.html che ospita due canali voce (B1 e B2, da Bearer, ossia portatore, 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 [1005]   [1005] http://www.rhyshaden.com/isdn.htm, come il protocollo Q.931 [1006]  [1006] http://www.freesoft.org/CIE/Topics/126.htm.
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. Pertanto, pri viene direttamente interconnesso al primo livello (e1) della gerarchia pdh descritta al § 19.3.4↑.
Dato che l’accesso isdn preserva il flusso binario inviato sui canali B da estremo a estremo della rete, su quegli stessi canali possono essere inviate anche informazioni niente affatto vocali, ma bensì nativamente numeriche, purché il ricevente condivida le stesse modalità di interpretazione dei bit in arrivo. Sfruttando tale possibilità, sono stati (ad esempio) definiti i primi standard di videotelefonia H.320 [1007]   [1007] http://it.wikipedia.org/wiki/H.320.

19.9.3  Sistema di segnalazione numero 7

Il Signaling System #7↓ (ss7 [1008]  [1008] https://en.wikipedia.org/wiki/Signalling_System_No._7) 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 [1009]  [1009] http://en.wikipedia.org/wiki/Intelligent_network). Oltre ad gestire la fasi di
figure architettura_rete_intelligente.jpg
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 [1010]   [1010] http://www.itu.int/rec/T-REC-Q.700/en, 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
figure ss7_stack.jpg
è definito anche nei termini della gerarchia protocollare che descrive la stratificazione delle funzioni necessarie allo svolgimento dei servizi 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 [1016]  [1016] http://en.wikipedia.org/wiki/Message_Transfer_Part), 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 protocolli indicati come User Part, come ad esempio il Signalling Connection Control Part (sccp [1017]  [1017] https://en.wikipedia.org/wiki/Signalling_Connection_Control_Part), che arricchisce le funzionalità di rete, offrendo ulteriori capacità di indirizzamento, ed un servizio orientato alla connessione
figure ss7_stack2.jpg
anziché a pacchetto; attraverso sccp possono operare processi applicativi basati sul Transaction Capabilities Application Part (tcap [1018]  [1018] http://en.wikipedia.org/wiki/Transaction_Capabilities_Application_Part).
Altri esempi di User Part sono la Telephone User Part (tup [1019]   [1019] http://en.wikipedia.org/wiki/Telephone_User_Part_(TUP)) e la isdn User Part (isup [1020]  [1020] http://en.wikipedia.org/wiki/ISDN_User_Part). tup è stata la prima up ad essere definita, e fornisce 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 [1021]  [1021] http://en.wikipedia.org/wiki/SIGTRAN o Signalling Transport.

19.9.4  ADSL↓

L’Asymmetric Digital Subscriber Line [1022]   [1022] https://en.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_digital_subscriber_line è l’insieme di tecnologie trasmissive e di rete per mezzo delle quali viene fornito l’accesso ad Internet a banda larga per il tramite del doppino telefonico (subscriber loop) in rame, già utilizzato per il normale servizio telefonico pots. L’uso condiviso del mezzo è reso possibile realizzando la trasmissione numerica adsl su di una banda di frequenze più elevate di quelle usate da pots,
figure ADSL_frequency_plan2.jpg
come mostrato in figura, dove sono rappresentati gli intervalli di frequenza riservati alla telefonia pstn, ai dati in uscita (upstream) ed in ingresso (downstream).
La massima velocità di trasmissione è stata inizialmente posta rispettivamente pari ad 1 ed 8 Mbps per i due versi trasmissivi, anche in funzione della lunghezza del collegamento utente - centrale [1023]   [1023] All’aumentare della lunghezza del collegamento, oltre a ridursi la potenza ricevuta e quindi peggiorare l’snr, aumenta l’entità della diafonia (di tipo next, pag. 1↑) tra utenti differenti, determinando un ulteriore peggioramento di snr, che la tecnica di modulazione affronta riducendo la velocità trasmissiva.; successivamente, la massima velocità di ricezione è stata elevata rispettivamente a 12 e 20 Mbit/sec per gli standard adsl2 e adsl2+.
figure technologies-images-adslfonctionnel.jpg
I due segnali (vocale e numerico) sono poi separati su linee differenti [1024]  [1024] Ciò permette di non ascoltare nel telefono il fruscio della trasmissione adsl, e di ridurre il rischio che le comunicazioni vocali determino la caduta della connessione adsl. inserendo, a valle della presa telefonica casalinga, un doppio filtro passa-alto e passa-basso detto splitter [1025]  [1025] I modem più recenti incorporano il passa alto al loro interno, e sono venduti assieme a splitter con la sola funzione passa basso per il canale vocale.. Un filtro del tutto simile esiste anche dal lato centrale, in modo da inoltrare la componente in banda audio alla centrale pots, e la componente dati verso un dispositivo dslam.
DSLAM↓ e oltre
Il Digital Subscriber Line Access Multiplexer risiede nella centrale dell’operatore che offre il servizio pots, provvede ad effettuare la demodulazione del segnale adsl di ogni singolo utente, e si occupa di aggregare il traffico relativo a più utenti ed inviarlo verso gli isp (Internet Service Provider) con cui gli utenti hanno un contratto di connessione ad Internet.
figure XDSL_Connectivity_Diagram_en.png
A questo fine può essere necessario attraversare prima una rete di trasporto [1026]  [1026] Non lasciarsi fuorviare dal ruolo di trasporto della rete, che in effetti assolve unicamente un ruolo di livello due (o di collegamento), in quanto il punto di uscita non è qualsiasi, ma l’isp fornitore dell’utente. basata su atm o Ethernet, che termina il traffico sul Broadband Remote Access Server (bras↓) [1027]  [1027] http://en.wikipedia.org/wiki/Broadband_Remote_Access_Server dell’isp, utilizzato da quest’ultimo anche per terminare il protocollo di strato di collegamento ppp [1028]  [1028] http://en.wikipedia.org/wiki/Point-to-Point_Protocol, svolgere le funzioni di autenticazione dell’accesso, ed applicare eventuali policy a livello ip. Quindi, l’isp provvede ad interconnettere il traffico del cliente con la rete Internet. Alternativamente, l’isp può disporre di un Point of Presence (pop) nella stessa centrale in cui sono ospitati i dslam↓ dei propri clienti [1029]  [1029] Come ad es, nel caso dell’Unbundling: http://it.wikipedia.org/wiki/Unbundling_local_loop, che in questo caso producono direttamente traffico ip, inoltrato verso la core network dell’isp usando la sua stessa connettività.
DMT↓
Il modem adsl utilizza una tecnica di modulazione numerica multi-portante detta Discrete Multi Tone, in cui il flusso binario viene ripartito su più canali di frequenza contigui, ed il segnale analogico sintetizzato direttamente nel dominio della frequenza mediante il calcolo di una fft, come previsto dalla tecnica di trasmissione ofdm (vedi § 14.8↑). In questo modo, oltre a semplificare le operazioni di equalizzazione, è possibile variare la velocità di trasmissione in modo indipendente per le diverse portanti, e mantenere buone prestazioni anche nel caso in cui l’snr vari con la frequenza.

19.9.5  TDM mediante modulazione di ampiezza degli impulsi

Al tempo in cui la realizzazione del componente di quantizzazione (vedi § 4.2.1.1↑) presentava discrete difficoltà circuitali, si pensò [1030]   [1030] La pensata non ebbe molte applicazioni, se non in ambito della commutazione interna ad esempio ad un centralino, a causa della sensibilità del metodo agli errori di temporizzazione, ed alle caratteristiche del mezzo trasmissivo su cui inviare il segnale pam. di sfruttare il teorema del campionamento (vedi § 4.1↑) per inviare su
figure f4.10.png
di un unico collegamento più comunicazioni multiplate a divisione di tempo (tdm = Time Division Multiplex).
E’ sufficiente infatti sommare alla funzione x○(t) introdotta al § 4.1.4↑ altri segnali simili, ad esempio y○(t), z○(t) come mostrato alla figura precedente, ognuno campionato a frequenza fc, ma sfasato rispetto agli altri.
Da questa modalità di multiplazione analogica deriva il termine onda pam↓, che sta per Pulse Amplitude Modulation,
figure f4.10a.png
ovvero modulazione ad ampiezza di impulsi; gli impulsi sono separati da un intervallo Ts  = (1)/(Nfc), con N pari al numero di segnali multiplati. Il pedice s indica che si tratta di un periodo di simbolo.
Il segnale xPAM(t) composto dalle 3 sorgenti dell’esempio della figura in alto è mostrato a lato, e può essere nuovamente campionato estraendo x(nTc), y(nTc), z(nTc), mentre i segnali x(t), y(t) e z(t) sono riprodotti facendone passare gli impulsi campionati a frequenza fc in un filtro di ricostruzione con banda W  ≤ fc⁄2.
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