24.9 Appendici
Dopo aver illustrato le tecniche realizzative più generali, approfondiamo il funzionamento di una serie di metodi di accesso che hanno partecipato alla evoluzione delle reti a commutazione di circuito, fino alla moderna adsl.
24.9.1 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.
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. 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, 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.
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.
24.35) 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, 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.
24.35, in cui è evidenziato come ogni conversazione è in realtà composta da tre fasi imprescindibili:
- formazione della connessione (call setup), in cui sono svolte le funzioni di indirizzamento, e vengono riservate da parte della rete le risorse necessarie alla comunicazione;
- mantenimento (hold), durante la quale le risorse impegnate sono utilizzate in modo esclusivo dalle parti in conversazione;
- svincolo (release) in cui le risorse impegnate sono liberate.
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.
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 all’interno del terminale di 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, 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, 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. Pertanto,
pri viene direttamente interconnesso al primo livello (
e1) della gerarchia
pdh descritta al §
24.3.4.
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.
24.9.3 Sistema di segnalazione numero 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
- Service switching point (ssp), che termina la segnalazione di utente, ed invia una query all’SCP per determinare come gestire la richiesta di servizio;
- Signal Transfer Point (stp), che instrada i messaggi SS7 tra le diverse entità della IN;
- Service Control Point (scp), che interroga un Service Data Point (sdp), il quale a sua volta detiene un database che (ad es.) identifica il numero geografico a cui deve essere inoltrata una chiamata diretta ad un numero verde. Alternativamente, l’scp può determinare la riproduzione di messaggi preregistrati, o richiedere ulteriore input da parte del chiamante, in base all’Intelligent Network Application Protocol (inap) che opera sopra il Transaction Capabilities Application Part (tcap) della pila protocollare ss7.
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 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), 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 detti di
User Part, come ad esempio il
Signalling Connection Control Part (
sccp), che arricchisce le funzionalità di rete, offrendo ulteriori capacità di indirizzamento, ed un servizio orientato alla
connessione 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 Su 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 o Signalling Transport.
L’
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,
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; successivamente, la massima velocità di ricezione è stata elevata rispettivamente a 12 e 20 Mbit/sec per gli standard adsl2 e adsl2+.
I due segnali (vocale e numerico) sono poi separati su linee differenti inserendo, a valle della presa telefonica casalinga, un doppio filtro passa-alto e passa-basso detto
splitter. 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.
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.
A questo fine può essere necessario attraversare prima una rete di trasporto basata su
atm o
Ethernet, che termina il traffico sul
Broadband Remote Access Server (
bras) dell’
isp, utilizzato da quest’ultimo anche per terminare il protocollo di strato di collegamento
ppp, 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, che in questo caso producono direttamente traffico
ip, inoltrato verso la
core network dell’
isp usando la sua stessa connettività.
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 §
16.8). 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.
24.9.5 TDM mediante modulazione di ampiezza degli impulsi
Al tempo in cui la realizzazione del componente di quantizzazione (vedi §
4.3.1.1) presentava discrete difficoltà circuitali, si pensò di sfruttare il teorema del campionamento (vedi §
4.1) per inviare su 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 §
4.2.4 altri segnali simili, ad esempio
y○(t),
z○(t) come mostrato alla figura seguente, 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, ovvero modulazione ad ampiezza di impulsi; gli impulsi sono separati da un intervallo
Ts = 1Nfc, 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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