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Reti di Trasporto
Ing. Stefano Salsanoe-mail: stefano.salsano@uniroma2.it
AA2005/06 – Blocco 1
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Obiettivi del corsoObiettivi del corso
• Capire la divisione tra Rete di accesso / Rete di Trasporto
• Conoscere le architetture delle Reti di Trasporto numeriche per Telefonia e Dati e la loro evoluzione
• Acquisire una conoscenza della tecnologia SDH
• Acquisire una conoscenza delle tecnologie ATM, MPLS per il trasporto di IP sul backbone delle reti
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Programma del corsoProgramma del corso
• Rete di accesso e rete di trasporto • Tecniche di multiplazione, PCM • PDH e SDH • Evoluzione tecnologie per reti per dati • ATM e IP su ATM • MPLS • Trasporto voce su IP
• Esercizi, routing IP, OSPF, OSPF-TE
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L’informazione scambiata nelle moderne reti (numeriche) è in forma digitale, cioè come sequenza di cifre binarie 1 o 0 (bit=BInary digiT).
� Informazione intrinsecamente digitale → Dati
� Informazione digitalizzata proveniente da sorgenti analogiche
A/DTras-
duttore0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0
t
V
0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0
Rete TLC
D/ARipro-duttore
0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0
t
V
Rete TLC 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0
La Natura Digitale dell’InformazioneLa Natura Digitale dell’Informazione
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• Vi sono fondamentalmente due modalità per trasferire l’informazione digitale attraverso la rete
modalità a circuito
modalità a pacchetto
Trasferimento dell’informazione digitale nella reteTrasferimento dell’informazione digitale nella rete
Orientata alla connessione
Orientata alla connessione
Senza connessione
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Rete di accesso / Rete di trasportoRete di accesso / Rete di trasporto
PSTN/ISDN ADSL
Rete diaccessoin rame
Rete diaccessocellulare
Fixedwireless
acces
Rete diaccessoin fibra
LAN
LAN
Rete ditrasporto
GSM
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Rete di accesso / Rete di trasportoRete di accesso / Rete di trasporto
Rete diaccesso
Rete ditrasporto
NO ! SI !
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Rete di accesso / Rete di trasportoRete di accesso / Rete di trasporto
• In genere, nelle reti di accesso sono prevalenti le funzioni di concentrazione e distribuzione
• Nelle reti di trasporto si effettua la commutazione, oltre naturalmente alla multiplazione e demultiplazione
• In genere, nelle reti di accesso la “banda”(*) è una risorsa limitata (ad es. nelle reti cellulari le frequenze disponibili sono assegnate su licenza) o “costosa” (ad esempio costo di realizzazione di una rete di accesso capillare in fibra ottica)
• Nelle reti di trasporto la “banda” è relativamente meno costosa, perché le fibre ottiche già installate offrono una grande capacità trasmissiva
(*) Nel gergo delle reti si utilizza il termine banda per indicare capacità trasmissiva
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Rete di accesso / Rete di trasportoRete di accesso / Rete di trasporto
• Per un operatore i costi legati alle reti di trasporto sono principalmente costi legati all’esercizio e alla manutenzione della rete (“Operation and maintenance”). In gergo finanziario si chiamano OPEX (Operational Expenditures).
• I costi legati alle reti di accesso sono invece principalmente legati agli investimenti necessari per realizzare la rete di accesso. In gergo finanziario si chiamano CAPEX (Capital Expenditures).
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Attualmente, le infrastrutture delle reti di trasporto (cioè le fibre ottiche) sono in larga misura già disponibili. Le spese che vengono sostenute sono spese “di operazione e manutenzione” e vengono in generale divise tra una molteplicità di utenti.
Le infrastrutture di molte reti di accesso sono invece in via di realizzazione o sono state realizzate di recente. Questo comporta forti investimenti per gli operatori. In genere si devono sostenere spese per ogni singolo utente cui si vuole offrire servizio.
Ad esempio per la rete di accesso ADSL è necessario comprare per ogni utente un modem ADSL lato centrale e uno a casa dell’utento. Per una rete di accesso in Fibra Ottica (es. Fastweb) è necessario scavare per portare la fibra fino a casa dell’utente. Per le reti di accesso cellulari, è necessario installare le stazioni radio base (e gli apparati per collegarle) che coprano in modo adeguato il territorio.
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• Tecniche di multiplazione, PCM e PDH» Tecniche di multiplazione (FDM, TDM, CDM) » Multiplazione numerica PCM» Multiplazioni numeriche, multiplazione plesiocrona, PDH
• SDH, multiplazione, apparati e reti» Multiplazione sincrona» Motivazioni per l’SDH» Stratificazione, Trama SDH, Strutture numeriche» Puntatori e sincronizzazione» Funzioni dell’overhead, aspetti di gestione» Apparati, interconnessione in rete e protezione
Dove siamo ?Dove siamo ?
Le slides relative a “Tecniche di multiplazione, PCM e PDH” ed a “SDH, multiplazione,apparati e reti” sono quasi integralmente tratte dal corso del prof. Andrea Baiocchi, cui vail mio ringraziamento [http://net.infocom.uniroma1.it/st/st.htm]
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• Obiettivo: far condividere uno stesso sistema trasmissivo a più flussi informativi di utente (es. segnali telefonici), mantenendone la separabilità (ortogonalità dei segnali)
• Tecniche di multiplazione» Tecnica a divisione di spazio:
» assegnare a ogni segnale telefonico un singolo portante fisico (es. doppino telefonico)
» Tecnica a divisione di frequenza (FDM)» Tecnica a divisione di tempo (TDM)
» multiplazione PCM, numerica asincrona e sincrona» Tecnica a divisione di codice (CDM)
MultiplazioneMultiplazione
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Tassonomia delle tecniche di multiplazioneTassonomia delle tecniche di multiplazione
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• Frequency Division Multiple Access, FDMA
tempo
Freq
uenz
a
bande di stazione
bande di guardia
Multiplazione a divisione di frequenzaMultiplazione a divisione di frequenza
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• Consideriamo il caso di segnali telefonici in forma analogica tempo-continua (banda B = 4 kHz)
• Consiste nel ripartire la banda disponibile sul mezzo in sotto-bande larghe 4 kHz, una per ogni segnale da multiplare (modulazione di ampiezza a banda laterale unica a portante soppressa)
FDM MUX
4 kHz
4 kHz
4 kHz
4 kHz 4 kHz 4 kHz
f
f
f
f
1
2
3
321
Multiplazione a divisione di frequenzaMultiplazione a divisione di frequenza
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• La formazione del segnale multiplex viene effettuata attraverso più stadi di multiplazione
Gruppo Primario48 kHz - 12 canali
Gruppo Secondario60 canali
Gruppo Terziario300 canali
Gruppo Quaternario900 canali
Gruppo Pseudo-quaternario900 canali (Italia)
Gerarchia di multiplazione FDMGerarchia di multiplazione FDM
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• Tecnica conosciuta anche come spread-spectrum (SS), nata per applicazioni militari, ora diffusissima nelle reti wireless
• Si parla di trasmissione SS quando la banda impiegata dal sistema trasmissivo è molto maggiore (almeno un ordine di grandezza) rispetto alla banda di Nyquist del segnale utile
• Consiste nel trasmettere simultaneamente e nella stessa banda di frequenza un insieme di N segnali
» moltiplicando ciascuno per una sequenza di codice, scelta tra uninsieme di sequenze (pseudo)ortogonali (DS, Direct Sequence)
» cambiando velocemente la frequenza portante più volte in ogni tempo di simbolo secondo un sequenza prestabilita e diversa per ciascun segnale (FH, Frequency Hopping)
Multiplazione a divisione di codiceMultiplazione a divisione di codice
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• Tecnica conosciuta anche come spread-spectrum (SS), nata per applicazioni militari, ora diffusissima nelle reti wireless
• Si parla di trasmissione SS quando la banda impiegata dal sistema trasmissivo è molto maggiore (almeno un ordine di grandezza) rispetto alla banda di Nyquist del segnale utile
• Consiste nel trasmettere simultaneamente e nella stessa banda di frequenza un insieme di N segnali
» moltiplicando ciascuno per una sequenza di codice, scelta tra uninsieme di sequenze (pseudo)ortogonali (DS, Direct Sequence)
» cambiando velocemente la frequenza portante più volte in ogni tempo di simbolo secondo un sequenza prestabilita e diversa per ciascun segnale (FH, Frequency Hopping)
Multiplazione a divisione di codiceMultiplazione a divisione di codice
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Media su un intervallo di bit
(=8 chips)
codice A
Canale trasmissivo ideale Ricevitore per utente A
X Y = -- Σ XiYi18 i=1
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• Code Division Multiple Access, CDMA
Multiplazione a divisione di codiceMultiplazione a divisione di codice
Codice A
Segnale 1
Codice B
Segnale 2
Segnale aggregato Segnale 1ricevuto
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• Code Division Multiple Access, CDMA
tempo
Freq
uenz
a
Flussi tributari
Multiplazione a divisione di codiceMultiplazione a divisione di codice
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• I flussi tributari occupano “contemporaneamente” l’intera porzione di spettro disponibile per il sistema per tutta la durata delle comunicazioni.
• Tra i vantaggi della multiplazione a divisione di codice vi sono:- una maggiore efficienza spettrale (ad esempio le bande di stazione non sono più necessarie)- una maggiore flessibilità (mediante i codici è possibile assegnare in modo semplice capacità diverse ai diversi flussi tributari)
Multiplazione a divisione di codiceMultiplazione a divisione di codice
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t
V
Campionamento(discretizzazione nel tempo)
t
V
Tct
000
001
100
101
110
111
010
011
110 011 010 100 110 100
Quantizzazione(discretizzazione nel range dinamico)
......
Tc intervallo di campionamento (sec)fc=1/Tc frequenza di campionamento (Hz)
Codifica
n bits di codifica per campione (→ 2n intervalli di quantizzazione di ampiezza )
Ritmo di emissione o bit-rate:
cTn
cc T
nfnR =⋅=
Es. codifica PCM per la voce:fc=8Khz Tc=125µs n=8
P=64Kb/s
12max
−=
n
Vb
Vmax
rang
e di
nam
ico
0
b
Conversione A/DConversione A/D
23
V
110 011 010 100 110 100 ......
Decodificat
000
001
100
101
110
111
010
011
t
V
Interpolazione
Il segnale ricostruito è tanto più simile a quello originario quanto...
Segnale originario
Segnale ricostruito
�...minore è l’intervallo di quantizzazione b
�...minore è l’intervallo di campionamento Tc maggiore freq. di camp. fc
maggior numero n di bits di cod.
migliore qualità
di riproduzione
maggiore ritmo di emissione
(bit-rate)
Conversione D/AConversione D/A
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• Ogni segnale analogico tempo-continuo s(t) può essere convertito in forma numerica attraverso due operazioni
• Si rende discreto l'asse temporale (campionamento)» Si sostituisce il segnale analogico tempo-continuo con una serie di
campioni analogici (teorema del campionamento: fc ≥≥≥≥ 2B)
• Si rende discreto l'asse delle ampiezze (quantizzazione)» l'ampiezza analogica dei campioni che ricadono in un intervallo è
approssimata con un singolo valore (ampiezza quantizzata)» ad ogni intervallo dell'asse si associa un numero» la quantizzazione di solito non è uniforme
Conversione analogico-digitaleConversione analogico-digitale
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• Parametri chiave per la qualità del segnale riprodotto:» periodo di campionamento Tc = 1/ fc ≤≤≤≤ 1/2B» numero di bit per campione Nb
• Tecniche di compressione possono ridurre il ritmo binario (bit rate) fcNb
• Esempi» segnale telefonico: fc = 8 kHz, Nb = 8 bit ���� 64 kbit/s » segnale audio GSM: 1/fc = 20 ms, Nb = 260 bit ���� 13 kbit/s » segnale CD hi-fi (ogni canale): fc = 44.1 kHz, Nb = 16 bit ���� 705.6 kbit/s
per canale
Parametri di un segnale numericoParametri di un segnale numerico
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• Time Division Multiple Access, TDMA
Freq
uenz
a
tempo
Intervallo TemporaleTrama
Multiplazione a divisione di tempoMultiplazione a divisione di tempo
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• Tecnica duale della FDM nel dominio del tempo
• Caso notevole: segnali telefonici campionati a fc= 8 kHz» si divide l'intervallo di campionamento Tc = 125 µµµµs in n sub-intervalli
(channel time-slot) allocati ai campioni degli n canali da multiplare(trama TDM)
» in ogni time slot viene trasmesso un campione del canale telefonico corrispondente
» tutte le linee in ingresso sono servite ciclicamente» ogni linea in ingresso invia un campione ogni Tc
Multiplazione a divisione di tempoMultiplazione a divisione di tempo
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Multiplazione numerica TDMMultiplazione numerica TDM
• I flussi tributari sono inseriti in un flusso aggregato
• Il flusso aggregato ha una struttura di trama
• Nella trama si distinguono le informazioni provenienti dai flussi tributari più una parte di over-head (extra-informazione)
• L’over-head consente di effettuare le funzioni di:» sincronizzazione (allineamento) di trama» giustificazione: per compensare la mancanza di sincronizzazione» supervisione, controllo del link trasmissivo, gestione
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• Tecniche di multiplazione, PCM e PDH» Tecniche di multiplazione (FDM, TDM, CDM) » Multiplazione numerica PCM» Multiplazioni numeriche, multiplazione plesiocrona, PDH
• SDH, multiplazione, apparati e reti» Multiplazione sincrona» Motivazioni per l’SDH» Stratificazione, Trama SDH, Strutture numeriche» Puntatori e sincronizzazione» Funzioni dell’overhead, aspetti di gestione» Apparati, interconnessione in rete e protezione
Dove siamo ?Dove siamo ?
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• Il principio della multiplazione PCM si riassume in tre funzioni:
» campionamento (fc = 8 kHz)» quantizzazione (non uniforme: Legge A, Legge µµµµ)» codifica (8 bit/campione)
• i segnali Multiplex PCM Primari sono alla base delle gerarchie PDH
» standard europeo: 2.048 Mb/s, 30 canali telefonici (Legge A)» standard americano: 1.544 Mb/s, 24 canali telefonici (Legge µµµµ)
• L'apparato che esegue la multiplazione PCM, e all'inverso la demultiplazione, si chiama multiplex(er) PCM
Multiplex PCM primarioMultiplex PCM primario
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• Il multiplex primario opera le funzioni di codifica e decodifica PCM e la multiplazione TDM, mediante le seguenti operazioni:� codifica di sorgente a 64 kbit/s
» filtraggio per limitare la banda a 4 kHz» campionamento ad 8 kHz (periodo 125 µµµµs)» codifica PCM ad 8 bit
� creazione di una trama a 2048 kbit/s» multiplazione TDM di 30 canali telefonici byte a byte » inserimento parola di allineamento e bit di servizio (8 bit)» eventuale inserimento della segnalazione associata al canale (8
bit)
Poiché tutte le temporizzazioni dei flussi numerici sono ricavate da un unico clock, non esistono problemi di sincronizzazione
Funzioni del multiplex PCM primarioFunzioni del multiplex PCM primario
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Schema del Multiplex PCM primarioSchema del Multiplex PCM primario
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• La trama è organizzata in 32 intervalli temporali (TS = Time Slot) ciascuno contenente 8 bit:
� TS0: parola di allineamento» A = X0011011 (trama pari)» B = X1S1XXXXX (trama dispari): X = bit di servizio per uso
nazionale, S1 = allarme terminale lontano (ATL)
� TS1 ÷÷÷÷ TS15 e TS17 ÷÷÷÷ TS31: 30 canali telefonici� TS16: segnalazione associata o un ulteriore canale telefonico
• La nomenclatura corrente definisce� payload i bit che costituiscono l’informazione utile dell’utente� over-head i bit aggiuntivi che servono per il funzionamento e la
gestione del collegamento trasmissivo
Trama del multiplex PCM primario europeoTrama del multiplex PCM primario europeo
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N.B. La struttura di trama americana è costituitada 24 canali di 8 bit (traffico + segnalazione)ed un bit per l’allineamento, in totale 193 bit.La velocità di cifra è pertanto 193⋅8000=1544 kbit/s
Trama dispari125 µs
ch1
TS0 TS1 TS2 TS15 TS17 TS30 TS31 TS0
ch2 ch15 ch16 ch29 ch30 BA
Allineamento A e B- A = X0011011- B = X1S1XXXXX
segnalazione
S
Trama pari125 µs
Time Slot = 8 bit
256 bit
Struttura di Trama a 2048 kbit/sStruttura di Trama a 2048 kbit/s
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• La procedura di allineamento controlla continuamente la presenza alternativa delle parole A e B nel flusso numerico ricevuto
• Se si rivelano tre parole consecutive diverse da quelle attese il sistema si dichiara in fuori allineamento e si attiva una procedura di ricerca del nuovo allineamento
• Si sposta la trama di un bit per volta esaminando se nella nuova condizione di allineamento si ritrova l’esatta alternanza delle parole A e B
� Si passa dalla fase di fuori allineamento a quella di allineamento se si trovano due parole A intercalate da una parola B in posizione corretta
� La perdita di allineamento è un malfunzionamento gravissimo in quanto rende impossibile l’estrazione dei tributari dal flusso aggregato
Strategia di allineamentoStrategia di allineamento
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• Oltre alla parola di allineamento, nel TS0 sono inserite anche informazioni aggiuntive: allarmi e informazioni di servizio.
• A seguito di simulazione della parola di allineamento nel caso di trasmissioni dati, l’ITU-T ha normalizzato una procedura per l'allineamento più sofisticata utilizzante un codice CRC (Cyclic Redundancy Check)
• Tale procedura consente inoltre una misura più accurata del BER (Bit Error Ratio) in servizio
Overhead di tramaOverhead di trama
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• Si crea una struttura di multitrama che viene divisa in due sottomultitrame costituite da 8 trame consecutive ciascuna
• L’allineamento della multitrama si ottiene utilizzando come parola di allineamento quella costituita dall’insieme dei primi bit della parola B. Essi, presentandosi 8 volte per ogni multitrama, permettono di utilizzare la seguente parola di allineamento di 8 bit: 001011XX
• Nelle trame contenenti la parola di allineamento A, il primo bit è utilizzato per portare un bit del codice CRC; quindi si trasmettono 4 bit di codice ogni 8 trame
Definizione della MultitramaDefinizione della Multitrama
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TS0 di ogni tramaNumero progressivo dei bit
Sotto-multitrama
Numerodi
trama 1 2 3 4 5 6 7 80 C1 0 0 1 1 0 1 11 0 1 S1 X X X X X2 C2 0 0 1 1 0 1 13 0 1 S1 X X X X X4 C3 0 0 1 1 0 1 15 1 1 S1 X X X X X6 C4 0 0 1 1 0 1 1
1
7 0 1 S1 X X X X X8 C1 0 0 1 1 0 1 19 1 1 S1 X X X X X
10 C2 0 0 1 1 0 1 111 1 1 S1 X X X X X12 C3 0 0 1 1 0 1 113 X 1 S1 X X X X X14 C4 0 0 1 1 0 1 1
2
15 X 1 S1 X X X X X
Struttura della Multitrama di allineamentoStruttura della Multitrama di allineamento
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• La parola di codice trasmessa nella sotto-multitrama N-esima si ottiene:
� considerando la sequenza ordinata dei bit della (N–1)-esima sotto-multitrama come un insieme di coefficienti di un polinomio in x
� moltiplicando questo polinomio per x4
� calcolando il resto della divisione fra il dividendo precedente e il divisore x4 + x +1
� rappresentando il resto con quattro bit: C1, C2, C3, e C4
• In ricezione si ricalcola il resto e lo si confronta con quello che si riceve nella sottomultitrama N-esima.
• Se i resti coincidono, la trasmissione è senza errori; in caso contrario, si incrementa un contatore delle trame errate e, superata una soglia, si dà inizio alla ricerca di allineamento
Utilizzo del CRCUtilizzo del CRC
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• La segnalazione è l’informazione necessaria alla instaurazione, mantenimento e abbattimento di una connessione
• La segnalazione può essere:� In banda (es. multitoni, selezione a impulsi)� Fuori banda
SegnalazioneSegnalazione
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• La segnalazione fuori banda può essere:� associata: si trasmette la segnalazione insieme ai canali fonici
utilizzando il 16esimo time slot� a canale comune: si utilizzano flussi dedicati a 64 kbit/s attraverso i
quali le centrali di commutazione si scambiano i messaggi di segnalazione
SegnalazioneSegnalazione
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• Disponendo di un solo Time Slot per trama è necessario utilizzare ciclicamente più trame per trasmettere la segnalazione di tutti i canali (multitrama di segnalazione)
• La multitrama di segnalazione è costituita da 16 trame (2 ms) e contiene 8××××16=128 bit
� 8 per allineamento multitrama (0000XS2XX, dove S2=1 indica perdita di allineamento di multitrama)
� 30 posti fissi ad 1� 2 bit di segnalazione veloce per canale, cioè 2 ×××× 30 = 60� 1 bit di segnalazione lenta per canale, cioè 1 ×××× 30 = 30
• Segnalazione veloce = 2 bit/2 ms = 1 kbit/s• Segnalazione lenta = 1 bit/2 ms = 0.5 kbit/s
• Si noti che la multitrama di segnalazione è indipendente dalla multitramadi allineamento definita sopra. La multitrama di segnalazione è relativa all’informazione di segnalazione contenuta nel timeslot 16.
Segnalazione associataSegnalazione associata
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Trama 0
Trama 1
Trama 2
Trama 14
Trama 15
Trama 0
Multitram
a2 m
s
Time Slot 16
1 1
11
1
1 1
1
0 0 0 0 X S2 X X
0 0 0 0 X S2 X X
Multitrama di segnalazioneMultitrama di segnalazione
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• Tecniche di multiplazione, PCM e PDH» Tecniche di multiplazione (FDM, TDM, CDM) » Multiplazione numerica PCM» Multiplazioni numeriche, multiplazione plesiocrona, PDH
• SDH, multiplazione, apparati e reti» Multiplazione sincrona» Motivazioni per l’SDH» Stratificazione, Trama SDH, Strutture numeriche» Puntatori e sincronizzazione» Funzioni dell’overhead, aspetti di gestione» Apparati, interconnessione in rete e protezione
Dove siamo ?Dove siamo ?
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• La multiplazione numerica permette a più flussi numerici, denominati tributari, di essere affasciati a divisione di tempo in un unico flusso a più alta velocità, denominato aggregato
• Le apparecchiature corrispondenti sono denominate multiplatori
• Caratteristica distintiva di un multiplex numerico è che i segnali da multiplare sono già in forma numerica
• Il flusso multiplex numerico si ottiene per interallacciamento di cifra (bit interleaving) dei tributari, in trame di durata in generale diversa da 125 µµµµs
Poiché le sorgenti di temporizzazioni sono molteplici, tributari ed aggregato, si pone il problema della loro sincronizzazione
Multiplazione numericaMultiplazione numerica
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• Fase di scrittura: i bit dei tributari sono scritti nei rispettivi buffer con frequenza di scrittura uguale alla loro frequenza istantanea di cifra
• Fase di lettura: i buffer dei tributari sono letti ciclicamente, con frequenza di lettura fr0 = n/Tm0 ≥≥≥≥ ft (n=cifre di tributario per trama)
Nt tributari
ft0
ft0
ft0
ft0fm0 ≥ Ntft0
Multiplazione numericaMultiplazione numerica
fm0 = 1/Tm0*n. totale bit/trama
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• Segnale periodico, che definisce gli “istanti caratteristici” attraverso eventi univocamente (e facilmente) individuabili p.e.:
� sinusoide: attraversamenti dello zero� onda quadra: fronti di salita o di discesa� segnale impulsivo: posizione degli impulsi
Segnale(AMI-RZ)
Cronosegnale(onda quadra)
Cronosegnalecon jitter
Tb
CronosegnaleCronosegnale
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I flussi numerici vengono trasmessi utilizzando dei segnali (elettrici, elettromagnetici, ottici) codificati utilizzando delle opportune “codifiche di linea”. Ad esempio nella slide precedente il segnale più in alto rappresenta una codifica chiamata AMI-RZ (Alternate Mark Index – Return to Zero), in cui il valore “1” è rappresentato da un impulso (alternativamente positivo e negativo) e il valore “0” è rappresentato dalla assenza di impulso.
Per estrarre l’informazione da un segnale numerico è necessario “sincronizzarsi” e valutare il segnale codificato nei suoi “instanti caratteristici”. Ad esempio nella slide precedente si mostra nella seconda riga un “crono segnale” sincronizzato che consente di estrarre correttamente l’informazione dal segnale codificato.
L’operazione di generazione del cronosegnale deve essere effettuata dall’apparato di ricezione per estrarre correttamente l’informazione. Questa procedura è detta sincronizzazione di linea.
Se la procedura non è effettuata in modo ideale, si verifica che il cronosegnale non è sincronizzato con il segnale codificato (vedi terza riga nella slide precedente) e la decodifica viene effettuata con degli errori.
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• Due flussi numerici sono detti:� sincroni: quando i rispettivi cronosegnali hanno la stessa frequenza
istnatanea (quindi differenza di fase costante)� mesocroni: quando i cronosegnali hanno esattamente la stessa frequenza
media a lungo termine ma fase variabile� plesiocroni: quando i cronosegnali hanno la stessa frequenza nominale e i
possibili scostamenti del valore istantaneo sono contenuti in un intervallo di tolleranza prefissato
� eterocroni: quando i cronosegnali hanno frequenza nominale diversa
• Multiplatori mesocroni (comunemente detti sincroni)� i tributari hanno tutti la stessa frequenza media di cifra
• Multiplatori plesiocroni (comunemente detti asincroni)� i tributari hanno frequenze nominalmente uguali e con fluttuazioni
circoscritte entro intervalli specificati (p.e. 2048 kbit/s ±50 ppm)
Classificazione dei flussi numericiClassificazione dei flussi numerici
50
• I cronosegnali delle sorgenti tributarie operano a frequenze solo nominalmente uguali, ma in effetti diverse e indipendenti (tributari plesiocroni)
• Il cronosegnale del multiplex numerico non è in rapporto fisso con le frequenze istantanee di cifra dei tributari
• La sincronizzazione di cifra viene attuata mediante la tecnica di giustificazione di bit o pulse stuffing (a riempimento di impulsi). La gestione dello stuffing è eseguita a livello di singolo tributario
• I formati di multiplazione PDH sono definiti nella Racc. ITU-T G.702. Le caratteristiche elettriche e fisiche delle interfacce PDH sono invece specificate nella Racc. ITU-T G.703
Multiplazione numerica plesiocronaMultiplazione numerica plesiocrona
51
• Ogni differenza di frequenza media (multiplazioneplesiocrona) tra scrittura e lettura conduce, prima o poi, al riempimento o allo svuotamento del buffer (slip “periodici”)
• Nel caso di slip periodici, dette fS e fL le frequenze di scrittura e lettura del buffer tampone, N la sua dimensione in bit, la frequenza di slip è
Fslip = 86400fL − fS
N(slip/giorno)
Slip di sincronizzazioneSlip di sincronizzazione
52
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
124
7
5
6
tempo
IV
III
II
I
Indirizzo dimemoria
TS TL
Inizio slip (riletturadei bit 4, 5, 6 e 7)
TL < TS
• L’esempio considera la sincronizzazione di un singolo tributario a prescindere dalla successiva multiplazione.
• La sequenza prodotta è la seguente:1-2-3-4-5-6-7-4-5-6-7-8-9-10-11-12
Slip: esempio graficoSlip: esempio grafico
53
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
tempo
IV
III
II
I
Indirizzo dimemoria
TS TL
Inibizione lettura
TL < TS
• Poiché la lettura della locazione di memoria IV è eseguita prima della sua scrittura, essa è ripetuta due volte
• La sequenza prodotta è la seguente:
1-2-3-4-5-6-7-4-8-9-10-11-12
Minimizzazione dell’entità dello SlipMinimizzazione dell’entità dello Slip
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• Questo meccanismo non è in realtà efficace nel risolvere il problema, perché “minimizza” l’entità dello slip (ma in pratica il sistema si deve risincronizzare comunque) ed inoltre la frequenza degli slip passa da:
Fslip = 86400fL − fS
N(slip/giorno)
Minimizzazione dell’entità dello SlipMinimizzazione dell’entità dello Slip
a:
SLslip ffF −= 86400 (slip/giorno)
55
• All'ingresso del multiplatore le cifre binarie dell' i-esimo tributario vengono scritte nella relativa memoria di multiplazione con una frequenza di scrittura pari a fti
• La frequenza di lettura fr0, ricavata dall'orologio locale, ha un valore leggermente maggiore di quello massimo ammesso per la frequenze di scrittura
• Si verifica il progressivo svuotamento delle memorie
Riempimento di bitRiempimento di bit
56
Tributario entrante
Uscita multiplatore
Uscita demultiplatore
Tributario uscente
•Lo svuotamento del buffer di lettura si evita inserendo nel flusso binario di tributario cifre non significative (stuffing)
•La cifra di riempimento, non essendo un bit informativo, deve essere rimossa dal demultiplatore
Riempimento di bitRiempimento di bit
57
• Lo svuotamento del buffer di lettura è rilevabile comparando l’indirizzo di lettura e scrittura
• Quando si è prossimi allo svuotamento, la lettura del buffer di tributario è inibita in corrispondenza di predeterminate posizioni di cifra della trama del segnale multiplex numerico (opportunità di giustificazione)
• Sono inserite cifre di riempimento non significative• La presenza o l'assenza delle cifre di riempimento è segnalata
dalle cifre di segnalazione di riempimento
Riempimento di bitRiempimento di bit
58
Stuffing positivo: se C=0 il bit S è un bit del tributario, se C=1, S diventa un bit di riempimento
Stuffing negativo: se C=0 il bit S è un bit di riempimento, se C=1 S diventa un bit del tributario
Trama N Trama N+1
Bit non appartenenti ai flussi tributari (overhead)
Bit del tributario 1
C=Bit di segnalazione di riempimento del tributario 1
S=Bit di opportunità di riempimento del tributario 1
Bit di altri tributari
Bit di segnalazione e opportunità di riempimento di altri tributari
Segnalazione di riempimentoSegnalazione di riempimento
59
• Si scrivono i bit del tributario di ingresso nella memoria tampone con un clock ricavato dal flusso entrante
• Si legge la memoria con un clock a frequenza leggermente superiore della massima frequenza di scrittura.
• Poiché la velocità di lettura è superiore a quella di scrittura per evitare lo svuotamento della memoria il multiplatore inserisce, quando opportuno, un bit privo di significato (di stuffing) segnalandolo al demultiplatore
Tecnica di Multiplazione PlesiocronaTecnica di Multiplazione Plesiocrona
60
• Sia N la dimensione in bit di una trama, di cui M+1 siano i bit utili a disposizione di un tributario
• Siano:ft la frequenza del tributariofa la frequenza dell’aggregatofta la frequenza del tributario all’interno dell’aggregato (si considera la frequenza massima possibile cioè utilizzando sempre come dati i bit di opportunità di giustificazione)
• Sia e l’errore in parti per milione (ppm), le frequenza effettive si ricavano a partire da quelle nominali:
ft-eff = ft-nom ± ∆∆∆∆ft-nom = ft-nom ± e/106 ft-nom
fa-eff = fa-nom ± ∆∆∆∆fa-nom = fa-nom ± e/106 fa-nom
fta-eff = fta-nom ± ∆∆∆∆fta-nom = fta-nom ± e/106 fta-nom
Tecnica di Multiplazione PlesiocronaTecnica di Multiplazione Plesiocrona
61
• Affinché la multiplazione plesiocrona funzioni correttamente, devono essere rispettate le condizioni di non overflow e di non underrun. Considerando le frequenze effettive esse si possono esprimere così:
non overflow: ft-eff < fta-eff
non underrun: fta-eff •M/(M+1)< ft-eff (a)
oppure fslip < fa-eff / N (b)
oppure fslip < fta-eff / (M+1) (c)
dove fslip = fta-eff - ft-eff
Condizioni di funzionamentoCondizioni di funzionamento
62
• Le tre condizioni di non underrrun sono equivalenti:
(b) fslip < fa-eff / N
(fta-eff - ft-eff)< fa-eff /N
fta-eff - ft-eff< fta-eff •N /(M+1) /N
(c) fta-eff - ft-eff< fta-eff /(M+1)
fta-eff -fta-eff /(M+1) - ft-eff< 0
fta-eff (1-1/(M+1)) - < ft-eff
(a) fta-eff •M/(M+1)< ft-eff
Condizioni di funzionamentoCondizioni di funzionamento
63
• Considerando le frequenze nominali e gli errori, le condizioni di corretto funzionamento si possono esprimere così:
non overflow: ft-nom + ∆∆∆∆ft-nom < fta-nom - ∆∆∆∆fta-nom
non underrun: (fta-nom + ∆∆∆∆fta-nom )•M/(M+1)< ft-nom - ∆∆∆∆ft-nom (a)
oppure (fta-nom + ∆∆∆∆fta-nom - ft-nom + ∆∆∆∆ft-nom)< (fa-nom + ∆∆∆∆fa-nom) /N (b)
oppure (fta-nom + ∆∆∆∆fta-nom - ft-nom + ∆∆∆∆ft-nom)< (fta-nom + ∆∆∆∆fta-nom)/(M+1) (c)
Condizioni di funzionamentoCondizioni di funzionamento
64
Overhead
GENERATORE TEMPI
DI TRAMA
OROLOGIO MULTIPLEX
Inibizione per
overhead e altri
tributariCONTROLLO
GIUSTIFICAZIONE
ESTRAZ. TEMP.
CONTAT. SCRITT.
CONTAT. LETT.
BUFFER
~
SINCRONIZZATORE
TRIBUTARIO
Altri tributari
SEGNALE MULTIPLO
OROLOGIO "BUCATO"
GiustificazioneIndirizzo scrittura
Gestione dell'opportunità di giustificazione
OROLOGIO "REGOLARE" Inibizione per
giustificazione
OROLOGIO "REGOLARE"
Indirizzo lettura
+ -+
Schema del Multiplatore PlesiocronoSchema del Multiplatore Plesiocrono
65
PLL
CONTAT. SCRITT.
CONTAT. LETT.
ESTRAZ. TEMP.
ALLINEAT. TRAMA
BUFFER
SEGNALE MULTIPLO
DESINCRONIZZATORE
TRIBUTARIO
OROLOGIO "REGOLARE"
OROLOGIO "BUCATO"
CONTROLLO GIUSTIF.
OROLOGIO "REGOLARE"
Inibizione per overhead e altri tributari
Inibizione per giustificazione
Indirizzo scrittura
Indirizzo lettura
Schema del Demultiplatore PlesiocronoSchema del Demultiplatore Plesiocrono
66
Gerarchia PDH EuropeaGerarchia PDH Europea
67
SA
210
T
200 4
MG T
208 204
Multiplex E2
210 380 376
Multiplex E3
4
MG T
208 4
MG
4
OG T
SA T
372 4
MG T
4
MG T
4
MG
4
OG T
380
Multiplex E4
412 480
SA T
472 4
MG T
4
MG T
4
MG
4
OG T
484 484484
T
484 4
MG T
4
MG
Trame della gerarchia plesiocrona EuropeaTrame della gerarchia plesiocrona Europea
MG : Messaggio di GiustificazioneOG : Opportunità di giustificazione
T : TributariA : Allineamento
68
SA
210
T
200
IIIII IVI
4
MG
T
208
IIIII IVI
4
MG
T
208
IIIII IVI
4
MG
T
204
IIIII IVI
4
OG
A
212 212 212 212
A Parola di allineamento (1111010000)
S Bit di Servizio (B11, B12)
T Bit Informativi ottenuti leggendo ciclicamente bit a bit i quattro tributari
MG Messaggio di Giustificazione (ripetuto tre volte per correggere errori singoli)
OG Bit di opportunità di giustificazione
Struttura di trama del multiplex E2Struttura di trama del multiplex E2
69
I bit di segnalazione di giustificazione (chiamati “Messaggio di giustificazione”) nella trama E2 sono ripetuti 3 volte per ciascun tributario.
In ricezione viene presa una decisione con la tecnica del “voto a maggioranza”. Ad esempio se due bit indicano che ci deve essere giustificazione e un bit no, il ricevitore assume che ci sia giustificazione. In questo caso si risolvono i problemi dovuti ad un eventuale errore singolo su un bit.
70
SA
210
T
200
IIIII IVI
4
MG
T
208
IIIII IVI
4
MG
T
208
IIIII IVI
4
MG
T
204
IIIII IVI
4
OG
A
212 212 212 212
Esempio trama del multiplex E2 (8 Mbit/s):F0 = 8448 kbit/sBit per trama N =848Bit per tributario M = 205, M+1 = 206 (con o senza stuffing)Periodo di trama = 848/8448000 ≈≈≈≈ 100 µµµµsFta-min = 205 ×××× 8448000/848 = 2042 kbit/s Fta-max = 206 ×××× 8448000/848 = 2052 kbit/s Ft_min = 2048 kbit/s – 50ppm = 2047.88 kbit/sFt_max = 2048 kbit/s + 50ppm = 2048.11 kbit/s�Fta-min < Ft_min < Ft_max < Fta-max
N.B. Per semplicità in questo esempio si è considerato per il flusso aggregato la velocità nominale e non quella effettiva
Capacità di sincronizzazioneCapacità di sincronizzazione
71
Nord-Americana Giapponese
Altre Gerarchie PDHAltre Gerarchie PDH
72
Singolo Salto Doppio Salto
Tributario x Aggregato y2 88 34
34 140140 565
Tributario x Aggregato z2 348 -
34 565140 -
MUX
DEMUX
Tributari Aggregato
Tx
Rx
Tx
Rx
y
x/y
y
xxxx
xxxx
1
2
3
4
1
2
3
4
MUX
DEMUX
Tributari Aggregato
Tx
Rx
Tx
Rx
z
x/z
z
xxxx
xxxx
1
2
16
1
2
16
Schema di un Multiplatore PDHSchema di un Multiplatore PDH