TELECOMUNICAZIONI

TELECOMUNICAZIONI

(App. II, II, p. 952; III, II, p. 907; IV, III, p. 589)

La profonda trasformazione in atto nel settore delle t. è stata determinata, in primo luogo, dall'avvento di supporti trasmissivi in grado di convogliare grandi quantità di informazioni e con un elevato grado di qualità, rendendo così possibile la diffusione integrata (nelle tecnologie e nei servizi) di informazioni di diverso tipo (fonia, immagini e dati). I supporti trasmissivi più diffusi allo stato attuale rientrano in tre classi fondamentali: le fibre ottiche monomodali, i ponti radio e i collegamenti satellitari (v. anche reti di comunicazione: Reti di comunicazione in fibra ottica; satelliti artificiali: Satelliti per telecomunicazioni, in questa Appendice). Si prenderanno qui in considerazione più da vicino le tematiche riguardanti l'organizzazione e l'evoluzione delle reti di comunicazione, con particolare riferimento ai sistemi a gerarchia sincrona, essendo questo l'aspetto più attuale dello sviluppo del settore delle telecomunicazioni.

I servizi fondamentali che vengono svolti da una rete di comunicazione sono la telefonia, i dati e i segnali video; la maggior parte delle reti attuali è in grado di convogliare più di un tipo d'informazione, operazione resa difficile dalle caratteristiche diverse dei segnali coinvolti e dalla loro diversa capacità di tollerare le fonti di degrado della trasmissione, legate al particolare supporto trasmissivo. Gli obiettivi prestazionali di reti siffatte sono basati su uno standard internazionale sviluppato per l'ISDN (Integrated Services Digital Network), cioè una rete numerica integrata nei servizi. Tale standard prevede appunto il supporto per diversi tipi di servizi (fonia, dati, teleconferenza, ecc.) e per un gran numero di applicazioni. Il canale voce ISDN invia il segnale fonico in forma numerica, con tecnica PCM (Pulse Code Modulation), cioè una modulazione a impulsi in codice alla velocità di 64 kb/s. Si prevede che il servizio fonia continuerà a essere per molti anni il servizio predominante offerto dalle reti numeriche. L'evoluzione in questo settore riguarda anzitutto l'impiego di tecniche di riduzione della ridondanza che consentono d'inviare la fonia con qualità praticamente inalterata ma con velocità trasmissive sostanzialmente inferiori (per es. in tecnica ADPCM, Adaptive Differential PCM, a 32 kb/s); stanno inoltre emergendo standard ISDN a larga banda.

Il servizio di trasmissione dati è in continua espansione; i dati vengono normalmente trasmessi in rete a blocchi, e sono sempre in fase di studio sofisticate tecniche di rivelazione di errore (per es. i codici a ridondanza ciclica, con o senza ritrasmissione del dato) e di correzione degli errori o FEC (Forward Error Correction). La trasmissione di segnali video numerici deve comunque comprendere un insieme di tecniche che riducano in modo notevole l'elevata velocità trasmissiva richiesta dal segnale in uscita dalle videocamere (140 Mb/s); sono state standardizzate tecniche di compressione che consentono di giungere ai 34 Mb/s senza sostanziale degrado della qualità dell'immagine, ma sono in corso di definizione metodi di compressione anche notevolmente più efficienti (〈10 Mb/s).

A livello strutturale, le reti di comunicazione si compongono di diversi segmenti che consentono di trasferire i segnali da un ambito strettamente locale fino a un ambito internazionale o intercontinentale. Il segmento internazionale poggia normalmente su cavi o fibre ottiche (per es. il sistema transoceanico in fibra ottica TAT8, che si stende lungo 7500 km); sono naturalmente largamente impiegati anche ponti radio a media e alta capacità e collegamenti satellitari. Le reti locali operano con capacità piccola, media e alta su supporti di tipo diverso; tale tipo di rete è quella con la diffusione più capillare e richiede l'investimento maggiore. Di qui lo sforzo nel realizzare reti che consentano prestazioni elevate con costi accettabili.

La tecnica trasmissiva vera e propria, la multiplazione a divisione di tempo (TDM, Time Division Multiplexing; v. App. II, ii, p. 953), ha sostituito negli anni la multiplazione a divisione di frequenza (FDM, Frequency Division Multiplexing) per la trasmissione di segnali numerici con terminali di linea in fibre ottiche o a microonde. La tecnica TDM risulta più semplice e meno costosa di quella FDM e permette la trasmissione su una stessa base temporale di numerosi canali interallacciati. Il flusso di dati (bit stream) trasmesso viene recuperato dal terminale ricevente in modo che i bit siano correlati al relativo canale, permettendo in questo modo la corretta ricostruzione del segnale originale. Secondo le normative del Comitato Consultivo Internazionale per la Telegrafia e la Telefonia (CCITT), è possibile multiplare i canali digitali in diversi modi, a seconda dei piani adottati nei vari paesi: in gruppi di 24 canali in Nordamerica e Giappone, e in gruppi di 30 canali nei restanti paesi. Lo schema universalmente adottato per questo scopo è comunque la modulazione a impulsi di codice PCM (v. App. II, ii, p. 954). Per ottenere collegamenti a elevata capacità è possibile multiplare più gruppi di 24 o 30 canali (per es. velocità di 140 Mb/s si raggiungono nel piano del CCITT con 1920 canali ottenuti da 64 gruppi di 30 canali a 2,048 Mb/s). Originariamente tale multiplazione veniva realizzata in modo completamente asincrono, successivamente si è passati attraverso una fase in cui si realizzavano sistemi ibridi sincroni-asincroni. Attualmente si è arrivati a sistemi completamente sincroni.

Multiplazione digitale asincrona (o plesiocrona). − Il diagramma di fig. 1 rappresenta le gerarchie di multiplazione numerica asincrona valide nei diversi paesi. Tali gerarchie sono ottenute a partire dai livelli del primo ordine (24 canali, 1,544 Mb/s per Nordamerica e Giappone, e 30 canali, 2,048 Mb/s per i restanti paesi, CCITT) con multiplazioni successive. Per es., nel piano nordamericano il terzo ordine della gerarchia è ottenuto dalla multiplazione di sette sistemi di secondo livello ognuno dei quali è a sua volta dato dalla multiplazione di quattro livelli primari; il quarto ordine della gerarchia è ottenuto dalla multiplazione di sei sistemi del terzo ordine, mentre il quarto livello (DS5) è ancora in fase di definizione. La multiplazione quindi si ottiene allacciando tra loro i singoli bit stream dei sistemi del livello immediatamente precedente. Tali bit stream vengono anche detti tributari.

Nel caso in cui i tributari sono governati da una stessa frequenza di clock e sono sincronizzati da un master clock, si parla di multiplazione sincrona. Se i tributari presentano una stessa frequenza nominale (cioè subiscono piccole variazioni di frequenza entro un limite prefissato intorno al valore nominale, frequenza plesiocrona), ma non sono sincronizzati tra loro, si parla di multiplazione asincrona o plesiocrona. In quest'ultimo caso si rende necessario il processo cosiddetto di ''riempimento'' (stuffing), per poter multiplare al successivo livello gerarchico più tributari che presentano piccole variazioni in frequenza. Infatti, nella multiplazione asincrona, i tributari che vengono interallacciati hanno velocità di bit leggermente diverse e quindi presentano un offset del tempo di arrivo dei loro bit stream all'ingresso del multiplatore. Tale offset dev'essere compensato nel segnale multiplato di uscita tramite l'aggiunta, in posizioni precise, di bit particolari che non portano informazioni utili per l'utente finale. Tali bit, in ogni caso, devono poter essere riconosciuti ed eliminati (destuffing) dal ricevitore per ricostruire il segnale originario. Inoltre l'interallacciamento dei tributari può essere realizzato bit-a-bit, oppure parola-a-parola. Nel primo caso il segnale multiplato è ottenuto prendendo sequenzialmente un singolo bit da ogni tributario, mentre nel secondo caso il bit stream d'uscita è ottenuto prendendo a turno da ciascun tributario un numero specifico di bit (parola). L'interallacciamento parola-a-parola risulta vincolato alla struttura della trama dei tributari e richiede maggiore capacità di memoria; è per questo motivo che nei sistemi asincroni si preferisce utilizzare la tecnica bit-a-bit.

Nonostante i multiplexer asincroni presentino il vantaggio di operare in modo indipendente, ossia senza un clock centrale di controllo ma con una trasmissione plesiocrona facilmente compensabile con la tecnica del bit stuffing, tali sistemi hanno lo svantaggio di dover richiedere una completa demultiplazione se si desidera sottrarre (drop capability) o aggiungere (insert capability) ulteriori canali lungo un percorso. Il problema della completa demultiplazione viene superato con i sistemi sincroni, i quali permettono anche la multiplazione di tributari aventi velocità di bit differenti.

Multiplazione digitale sincrona. - Nel 1988 il CCITT ha raggiunto un accordo per lo standard universale di gerarchia digitale sincrona SDH (Syncronous Digital Hierarchy) sotto forma di raccomandazioni n. G707, 708 e 709. Tale accordo ha rappresentato una pietra miliare nelle t. perché con esso sono state unificate le velocità di bit in standard comuni (v. tab.), superando i precedenti problemi d'interfacciamento tra Nordamerica e Giappone e resto del mondo. Inizialmente queste raccomandazioni furono intese come volte ad applicazioni di trasmissione in fibra ottica, e quindi furono chiamate standard SONET (Syncronous Optical NETwork). Durante lo sviluppo della gerarchia SDH fu indispensabile, per la buona riuscita del progetto stesso, ottenere un sistema che permettesse di processare simultaneamente le velocità di bit nordamericane e del CCITT. Per le comunicazioni internazionali, anche a causa della sempre maggiore domanda di servizi a larga banda, divenne molto importante specificare un'interfaccia di nodo di rete (NNI, Network Node Interface) universale. A tale scopo è volta l'implementazione della gerarchia SDH.

In un sistema di comunicazione la rete di trasporto ha due funzioni elementari: la capacità di trasmissione e il nodo di rete. La prima dipende dal tipo di supporto fisico utilizzato per la trasmissione (fibre ottiche, comunicazioni radio a microonde, satellite, ecc.); il nodo di rete realizza invece le funzioni di terminazione, interconnessione, multiplazione e scambio. Ci sono vari tipi di nodi, tra cui quelli basati su flussi a 64 kb/s o quelli a larga banda. L'interfaccia NNI rappresenta il punto d'incontro tra la capacità di trasporto e il nodo di rete. Gli obiettivi dell'interfaccia NNI sono tali da garantire per la rete: un'accettazione universale, un'interfaccia unica per trasmissione, multiplazione, interconnessione e scambio dei vari segnali, una capacità di manutenzione e operazione migliorata, un interscambio semplice con le interfacce già esistenti, una capacità di fornire facilmente tecnologie e servizi futuri e un'applicabilità a tutti i mezzi trasmissivi.

Un esempio di interfacce NNI in una rete è dato in fig. 2, in cui viene rappresentata una comunicazione tipica tra due utenti di rete. Nel caso mostrato ci sono due elementi di scambio (SW, Switching). Gli ingressi e le uscite di tali elementi transitano attraverso terminali di percorso (PT, Path Termination), terminali di linea (LT, Line Termination) o terminali di scambio (ET, Exchange Termination). La strumentazione presente tra due PT rappresenta il percorso, mentre ogni linea di trasmissione, che potrebbe essere in fibra ottica o in cavo coassiale, termina con un LT. Alla fine di una sezione della linea di trasmissione potrebbe esserci un multiplatore add/drop (ADM), che è il dispositivo che abilita il traffico locale a entrare o a lasciare la rete, oppure potrebbe esserci un'interconnessione digitale (DCC, Digital Cross Connect) che connette tra loro i terminali di linea. In quest'esempio tutti i punti di passaggio LT/ADM, ADM/PT, PT/LT e LT/DCC rappresentano delle interfacce NNI.

La tabella mostra i vari livelli della gerarchia sincrona SDH per il piano nordamericano (OC, Optical Carrier, per segnali ottici, e STS, Synchronous Transport Signal, per segnali elettrici) e per quello regolato dal CCITT (STM, Synchronous Transport Module). Come si può notare, questa gerarchia realizza la già affermata unificazione delle velocità di bit a partire dal livello STS-3 nordamericano e dal livello STM-1 del CCITT (155,52 Mb/s), oltre il quale ogni multiplazione sincrona di ordine superiore è caratterizzata da velocità di bit che risulta un multiplo intero di 155,52 Mb/s.

Limitandoci al caso europeo (CCITT), la trama del segnale STM-1, la cui durata è di 125 μs, ha una struttura costituita da 9 righe e 270 colonne, come mostrato in fig. 3. Ogni riga e ogni colonna contengono un byte (8 bit), e la trasmissione avviene per righe successive da sinistra verso destra. Quindi nella multiplazione sincrona l'interallacciamento avviene byte-a-byte, ossia è del tipo parola-a-parola. Le prime nove colonne della matrice contengono byte di controllo, detti OverHead di Sezione (SOH), tra i quali si possono distinguere byte di Rigenerazione (R-SOH) e altri di Multiplazione (M-SOH). Le restanti 261 colonne contengono il segnale utile, detto payload (cioè ''carico pagante''). In realtà il payload include anche nove byte di OverHead di Percorso (POH). Questi overhead sono strutturati in maniera tale che ogni elemento di rete (terminale, ripetitore, ADM) è costruito per accedere al solo overhead a esso necessario, e non all'intera trama. Si noti la presenza nella quarta riga dell'area SOH di byte puntatori al payload. Tali puntatori indicano la posizione del primo byte del payload all'interno della trama, permettendo così un facile accesso al payload stesso. Infatti, nei primi sistemi sincroni veniva utilizzata una mappatura a posizioni fisse dei bit per un segnale sincrono avente una certa velocità, che ne portava altri a minore velocità. Quindi ogni posizione della trama multiplata era dedicata a uno specifico tributario senza bisogno di utilizzare la tecnica del bit stuffing.

Con tale metodo, tuttavia, non si garantiva l'allineamento in fase dei vari tributari, visto che piccole variazioni in frequenza erano possibili a causa di una deficienza della sincronizzazione della rete. Si rendeva così necessaria l'introduzione di buffer di memoria a 125 μs per poter allineare i segnali. Conseguenza di ciò era un notevole ritardo nella trasmissione del segnale: con la tecnica dei puntatori al payload questo problema è stato superato. Infatti ora il payload non è vincolato alla struttura della trama, come nel caso di mappatura a posizioni fisse, ma può spostarsi all'interno della trama. Nel caso in cui il payload subisca piccole variazioni in frequenza, queste variazioni vengono compensate incrementando o decrementando i valori dei puntatori. In particolare, se il payload ha una velocità di bit maggiore di quella della trama STM-1, il puntatore viene decrementato (aggiustamento negativo); se viceversa la velocità di bit, confrontata a quella della trama STM-1, risulta inferiore, il valore del puntatore viene incrementato (aggiustamento positivo).

La multiplazione sincrona a livelli di ordine superiore, aventi velocità di bit più alte, si ottiene interallacciando N trame allineate STM-1 in una trama STM-N costituita da 9 righe e N × 270 colonne. La trama così ottenuta conterrà gli overhead SOH, compresi i puntatori al payload, nelle prime 9 × N colonne, e il payload nelle restanti 261 × N colonne. Come si può notare dalla tabella, mentre nei paesi che adottano gli standard del CCITT (Europa compresa) la trama STM-1 è considerata il blocco base per la gerarchia sincrona SDH, nel Nordamerica tale blocco base è rappresentato dalla trama STS-1 caratterizzata da una velocità di bit di 51,84 Mb/s e costituita da 9 righe e 90 colonne (le prime 3 righe contengono i byte dello SOH, le restanti 27 il payload). La multiplazione sincrona di tre trame STS-1 genera il livello STS-3 a 155,52 Mb/s, la cui trama è costituita da 9 righe e 270 colonne (le prime 9 colonne contengono i byte di SOH e le restanti 261 il payload). Tale livello STS-3 è del tutto equivalente e quindi compatibile a quello STM-1 del CCITT.

Ai fini di consentire l'accettazione di traffico internazionale è indispensabile che una trama (Unità Amministrativa, AU) di un paese possa accettarne una diversa di un altro paese. Ciò si ottiene con la tecnica della nidificazione (nesting): un segnale nidificato è un set di trame (AU) contenute in una AU di ordine superiore, che viene trasportato attraverso la rete. Per es., tre AU a 45 Mb/s (44,736 Mb/s) nordamericane possono essere portate da un STM-1 europeo (155,52 Mb/s) senza dover costruire una rete particolare di controllo; viceversa nel Nordamerica quattro AU da 34 Mb/s (34,368 Mb/s) europee possono essere trasportate su un STS-3 (155,52 Mb/s).

In fig. 4 è mostrato lo schema completo di multiplazione SDH, ossia tutti i modi in cui è possibile ottenere un STM-1 a partire dai livelli della gerarchia asincrona del Nordamerica e del CCITT (fig. 1). In fig. 4 i blocchi C-nx rappresentano i contenitori, cioè i dispositivi da cui si originano i vari livelli gerarchici asincroni (n = 1,...,4 indica i livelli gerarchici, x indica la velocità di bit: x = 1 per 1,544 Mb/s, x = 2 per 2,048 Mb/s). I blocchi VC-n sono i contenitori virtuali costituiti da un singolo contenitore o da un gruppo di unità tributarie (TUG) a cui viene aggiunto il POH; essi quindi stabiliscono un percorso nella rete. I blocchi TU-nx sono le unità tributarie (n = 1,..3; x = 1 o 2) costituite da un VC con aggiunto il relativo puntatore, e quindi contengono sufficienti informazioni per abilitare le funzioni di scambio e d'interconnessione del VC e del suo puntatore. I blocchi TUG-n (n = 2 o 3) sono i gruppi di unità tributarie e sono ottenuti dai TU con il processo di multiplazione (per es. il TUG-2 è ottenuto multiplando quattro TU-11, tre TU-12 oppure un TU-2). Da un'analisi della fig. 4 si può dedurre che il VC-3 e il VC-4 possono essere mappati nella corrispondente unità amministrativa (AU-3 e AU-4).

Infatti il VC si muove in fase con la AU corrispondente, e il valore del puntatore della AU indica l'offset tra la posizione del puntatore stesso e il primo byte del VC. Eventuali differenze di frequenza tra la velocità di trama dello SOH e quella del VC vengono bilanciate con la tecnica dell'aggiustamento del puntatore. Questo metodo di mappatura è rappresentato in fig. 5. Si può notare che mentre il VC-4 può essere mappato in un solo modo nel STM-1 (fig. 5A), il VC-3 può essere mappato con un metodo diretto (fig. 5B) oppure con un metodo nidificato (fig. 5C), ossia attraverso VC-4. Infine la trama STM-1, ottenuta tramite multiplazione di tre AU-3 oppure di una AU-4, può essere a sua volta multiplata in un STM-N tramite un interallacciamento sincrono di byte di N trame STM-1.

Bibl.: F. Ivanek, Terrestrial digital microwave communications, Norwood (Ma) 1989; R.G. Winch, Telecommunication transmission systems, New York 1993.