Sistemi di Telecomunicazione

Dispense del corso di sistemi di telecomunicazione

Gerardo Cicalese Antonio Giordano

8 luglio 2021

Indice

Indice 1

1 Architetture di rete stratificate 5

1.1 Introduzione e panoramica storica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.1 Contesto tecnologico ed economico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.2 Tecnologie di comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.3 Applicazioni delle reti di dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Problema 1.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Messaggi e commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.1 Messaggi e pacchetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Sessioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.2 Commutazione di circuito e commutazione di pacchetto Store-and-Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Commutazione di circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Commutazione di pacchetto: Store-and-Forward . . . . . . . . . . . . 21

Problema 1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3 Layering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.1 Il livello fisico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3.2 Il livello di Data Link Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Il sottolivello Medium Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.3.3 Il livello di rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Il sottolivello internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.3.4 Il livello di trasporto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2 Le reti locali 40

2.1 Topologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2 Indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3 Accesso multiplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3.1 Accesso casuale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

CSMA e CSMA/CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.4 Le reti Ethernet e il protocollo 802.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.5 I bridge (layer 2 switch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3 Collegamenti e protocolli point-to-point 50

3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2 Il livello fisico: canali e modem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2.1 Filtraggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

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3.2.2 Risposta in frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.3 Il teorema del campionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.4 Canali passa-banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.5 Modulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.6 Multiplexing FDM e TDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.2.7 Altri disturbi introdotti dal canale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.2.8 Canali digitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Canale BSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Codifica di Gray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3 Rilevazione degli errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.1 Controllo di parità monodimensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.2 Controllo di parità bidimensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3 Codici di controllo di parità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.3.4 Controllo a ridondanza ciclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.4 ARQ: strategie di ritrasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.4.1 ARQ Stop-and-Wait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Correttezza di Stop-and-Wait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Il problema delle due armate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.4.2 ARQ Go Back n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Regole seguite da trasmettitore e ricevitore in Go Back n . . . . . . . . 78

m > n Go Back n con modulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Efficienza delle implementazioni del Go Back n . . . . . . . . . . . . . 83

3.4.3 ARQ Selective Repeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5 Framing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5.1 Framing basato su caratteri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5.2 Framing orientato ai bit: flag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.5.3 Campi di lunghezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.5.4 Framing con errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.5.5 Dimensione massima dei frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Frame a lunghezza variabile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Frame a lunghezza fissa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.6 Standard per il livello DLC: HDLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.7 Protocolli punto-punto del livello di rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.7.1 Identificazione delle sessioni e indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . 98

3.7.2 Numerazione dei pacchetti, controllo di flusso a finestra scorrevole, e correzione degli errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Correzione degli errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Controllo di flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Confronto tra la correzione degli errori al livello di trasporto e al livello di rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4 Digitalizzazione vocale 104

4.1 Pulse Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.1.1 Frequenza di campionamento di Nyquist . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.1.2 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.2 Pulse Code Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.2.1 Rumore di quantizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Problema 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

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4.2.2 Rumore da canale inattivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.2.3 Codifica PCM uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Problema 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.2.4 Companding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Algoritmo di companding µ-Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Algoritmo di companding A-Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.2.5 Adaptive Gain Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5 Le reti telefoniche 124

5.1 Conversione digitale del segnale vocale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5.1.1 Multiplazione PCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.2 Sistemi di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.2.1 Sistemi di trasmissione PDH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Probabilità di errore con codifica a ripetizione . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.2.2 Sistemi di trasmissione SDH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.3 La commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.3.1 Autocommutatori numerici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.3.2 Probabilità di blocco: grafi di Lee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.3.3 Le centrali telefoniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.4 Architettura di instradamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6 Mezzi trasmissivi e propagazione 145

6.1 Sistemi di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.1.1 Cavo aereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.1.2 Doppino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Bobine di autoinduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

6.1.3 Cavo coassiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6.1.4 Microonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Tecniche di diversità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

6.1.5 Satellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.2 Disturbi della trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.2.1 Attenuazione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.2.2 Interferenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.2.3 Rumore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.2.4 Distorsione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.2.5 Echo e singing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

7 Sistemi di trasmissione a fibra ottica 157

7.1 Elementi di un sistema di trasmissione a fibra ottica . . . . . . . . . . . . . . . 159

7.1.1 Fondamenti delle fibre ottiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

7.1.2 Trasduttori elettrico-ottici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

7.1.3 Trasduttori ottico-elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

7.2 Codifiche di linea per la trasmissione a fibra ottica . . . . . . . . . . . . . . . . 162

7.3 SONET/SDH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

7.3.1 Panoramica sul multiplexing di SONET . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

7.4 Anelli SONET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

7.4.1 ADM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

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8 DSL 167

8.1 Nuove esigenze per le reti di accesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

8.1.1 Sviluppo di Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

8.1.2 Costituzione dell’attuale rete telefonica dell’operatore dominante . . . 168

8.1.3 Fattori che condizionano l’evoluzione della rete di accesso . . . . . . . 169

8.2 La famiglia DSL nell’area d’accesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

8.3 Nascita del sistema ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

8.4 Caratteristiche dell’ADSL e criteri di realizzazione . . . . . . . . . . . . . . . 171

8.4.1 Caratteristiche di un impianto ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

8.4.2 Caratteristiche tecnologiche e di banda del modem ADSL . . . . . . . 173

8.4.3 I sistemi ADSL leggeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

8.5 Classificazione dell’intera famiglia DSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

8.5.1 Soluzioni asimmetriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

8.5.2 Soluzioni simmetriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

8.6 VDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

8.6.1 Differenze ADSL, VDSL e G.Fast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Vectoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.7 Unbundling e posizionamento nel business . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

9 La rete TIM 184

9.1 Coesistenza e complanarità delle diverse reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

9.2 La rete a banda ultralarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

9.3 La rete NGAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

4

Capitolo 1

Architetture di rete stratificate

1.1 Introduzione e panoramica storica

Le forme primitive di reti di dati hanno una lunga storia, ma fu all’inizio degli anni ’50 che ci furono i più grandi sviluppi, i quali portarono all’uso di collegamenti di comunicazione per collegare computer centrali a terminali remoti e altri dispositivi periferici, come stampanti e RJE (remote job entrypoint) (vedi fig. 1.1).

Il numero di tali dispositivi periferici si è rapidamente ampliato negli anni ’60 con lo sviluppo di sistemi informatici in time-sharing e con la crescente potenza dei computer digitali. Con la proliferazione di periferiche remote, divenne economicamente insostenibile fornire un collegamento di comunicazione separato a lunga distanza a ciascuna periferica, ed era anche inutilmente complessa la progettazione topologica.

Per risolvere questi problemi, sono stati sviluppati multiplexer o concentratori remoti per raccogliere tutto il traffico da una serie di periferiche nella stessa area e inviarlo su un unico collegamento al processore centrale. In questo modo, non è più necessario avere un collegamento dedicato per ogni dispositivo, riducendo i costi ed evitando di sotto utilizzare le linee. Si noti, inoltre, che le linee terminali sono a più bassa capacità rispetto a quelle più vicine al processore centrale.

Infine, per liberare il processore centrale dalla gestione di tutto il traffico, sono stati sviluppati speciali processori chiamati front-end per controllare la comunicazione da e verso tutte le periferiche. Ciò ha portato alla struttura più complessa illustrata nella fig. 1.2. La comunicazione, in tali sistemi, è automatizzata, a differenza della telegrafia dove, per esempio, il controllo della comunicazione è centralizzato nel computer. Questa modifica ha permesso di costruire reti più economiche e con più elevata potenza computazionale, dato che alcune funzionalità più semplici sono dislocate nei front-end.

Sebbene sia perfettamente appropriato e ampiamente accettato riferirsi a un sistema come una rete di dati o una rete di comunicazione informatica, è più semplice visualizzarlo come un computer con periferiche remote. Molti dei problemi interessanti associati alle reti dati, come il controllo distribuito del sistema, l’inoltro di messaggi su più collegamenti di comunicazione e la condivisione di collegamenti di comunicazione tra molti utenti e processi, non sorgono in questi sistemi centralizzati.

Intorno al 1970, furono introdotte le prime reti di dati su larga scala e general-purpose che collegano sistemi informatici, utenti e periferiche geograficamente distribuiti. La figura 1.3

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Figura 1.1: Una rete costituita da un processore centrale con una linea di comunicazione distinta per ogni dispositivo.

Figura 1.2: Una rete costituita da un processore centrale ma con delle linee di comunicazione condivise tra più dispositivi.

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Figura 1.3: Una sottorete costituita da nodi e linee di comunicazione. I sistemi periferici sono connessi alla sottorete mediante linee di comunicazione ai nodi della sottorete.

Mostra tali reti. Gli utenti, infatti, desideravano un servizio che permettesse loro di comunicare con nodi che si trovano in altre sotto reti: per questa esigenza, è nato l’internetworking. Una internet (inter-rete) è una rete di reti: ogni nodo è una subnet.

All’interno dell’inter-rete ci sono un insieme di nodi, varie coppie dei quali sono collegati da linee di comunicazione. Dentro ogni subnet si trovano i vari computer, basi di dati, terminali e così via. I messaggi hanno origine da questi dispositivi esterni all’inter-rete, noti come sistemi periferici, passano prima attraverso la loro subnet e poi attraverso l’inter-rete per arrivare alla subnet di destinazione e dunque al nodo di destinazione, ovvero un altro sistema periferico. I nodi della subnet, in genere calcolatori a sé stanti, servono principalmente a instradare i messaggi attraverso la subnet (come i commutatori di pacchetto, ovvero gli switch). Questi nodi sono talvolta chiamati IMP (interface message processors). È utile visualizzare i nodi della subnet come entità logicamente distinte dai sistemi periferici.

È importante osservare che nelle fig. 1.1 e 1.2 il sistema informatico è il centro della rete, mentre nella fig. 1.3 è il core (cioè la parte di comunicazione della rete) a essere centrale. Mantenendo questa immagine dei sistemi periferici intorno a una comunicazione subnet in mente risulterà più facile sia comprendere la stratificazione della rete più avanti in questo capitolo sia comprendere i problemi del controllo della rete distribuita in tutto il libro.

La subnet illustrata nella fig. 1.3 contiene un posizionamento alquanto arbitrario dei collegamenti tra i nodi della subnet. Questo posizionamento arbitrario (o topologia arbitraria come viene spesso chiamata) è tipico delle reti WAN. Distinguiamo infatti, in base alla distribuzione sull’area geografica, tre tipi di reti:

• LAN (Local Area Network) o reti locali - Sono quelle reti che coprono l’ordine di un kilometro quadrato o meno. Di solito hanno una topologia a bus, ad anello o a stella. Degli esempi di reti LAN sono Ethernet e token ring.
• MAN (Metropolitan Area Network) o reti metropolitane - Sono quelle reti che coprono l’area di una città.

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Figura 1.4: Una rete di sottoreti. È presente una rete WAN (wide area network) e ci sono delle reti LAN (local area network) connesse tramite bridge e gateway.

• WAN (Wide Area Network) - Sono reti che si estendono su un’area geografica molto estesa. Sono costruite tramite l’interconnessione di più reti MAN.

Dal 1970 si è avuto un aumento esplosivo del numero di reti MAN e WAN. La fig. 1.3 fornisce un modello generico per le reti di dati.

Con la molteplicità delle reti di dati esistenti negli anni ’80, sempre più reti sono state collegate tramite gateway e bridge in modo da consentire agli utenti di una rete d’inviare dati agli utenti di altre reti (cfr. fig. 1.4). A un livello fondamentale, si può considerare tale rete d