Trasmissione e commutazione
telefonica
LE
ESIGENZE DELLA TELEFONIA
Le due
principali
esigenze della telefonia, dalla sua origine ad oggi, si possono
esclusivamente
sintetizzare in: trasmissione
(o trasporto)
e commutazione
(figura
1). Il
primo problema da risolvere, la
trasmissione,
è
antico
quanto gli studi scientifici da sempre mirati all’esigenza di
trasferire un
segnale elettrico a determinate distanze senza comprometterne le sue
caratteristiche. Si pensi che sulla scelta del mezzo trasmissivo,
qualunque
esso sia, dal cavo elettrico all’etere, si sono da sempre
arrovellate le menti
più eminenti della nostra scienza; basti ricordare le
sperimentazioni di Samuel
Morse, Einrich Rudolph Hertz o di Guglielmo Marconi, tanto per citarne
alcuni.
La commutazione
costituisce il
secondo, ma non secondario,
problema della telefonia o delle telecomunicazioni. In
telecomunicazioni, commutazione
significa dare la
possibilità a più persone
di poter condividere e sfruttare il mezzo trasmissivo per comunicare
fra loro.
Le telecomunicazioni senza trasmissione
non avrebbero
modo di
esistere ma se avessimo risolto il problema della trasmissione
senza occuparci
di quello di commutazione
il mondo delle
comunicazioni elettriche si
ridimensionerebbe alla semplice connessione elettrica di due unici
interlocutori. Questo c’impone di considerare che trasmissione
e commutazione, sebbene siano
due campi distinti e
separati, debbano necessariamente coesistere per la realizzazione di
una rete
di telecomunicazioni (d’ora in poi TLC) e che, oltremodo, gli
sviluppi
tecnologici dell’uno influenzino reciprocamente
l’altro. Per un approccio allo
studio di una rete TLC, quindi, è bene analizzare brevemente
i due argomenti
singolarmente per poi fonderli in seguito. Si apprenderà poi
che sia per commutazione
sia per trasmissione
i
miglioramenti tecnologici sono tesi a risolvere un terzo problema: la capacità. Con il crescere
delle reti telefoniche,
infatti, l’esigenza è di aumentare la
capacità di trasmissione, cioè
trasportare più utenti possibili su un unico mezzo
trasmissivo (vedi
multiplazione) ed aumentare anche capacità di commutazione.
Il primo
sistema
di
commutazione pensabile per connettere elettricamente due ipotetici
interlocutori è quello della commutazione
di circuito,
in altre
parole realizzare un circuito elettrico interamente dedicato tra i due.
Questo
circuito sarà impegnato dagli utenti in modo permanente
durante tutta la
comunicazione. La commutazione
di circuito (figura
2)
è
sempre stata presente nel mondo della
telefonia e lo è ancora oggi, anche nel più
moderno sistema di telefonia GSM.
In
passato per
commutare due o più utenti e permettere la costituzione di
un circuito fisico
erano utilizzate delle connessioni effettuate manualmente da operatori.
Si è
passati, poi, a veri e propri commutatori meccanici comandati da
impulsi
elettrici (gli auto-commutatori elettromeccanici). I commutatori
elettromeccanici potevano essere dei particolari relè (di
tipo reed, ESK)
oppure selettori con bracci di rotazione e sollevamento (famosi sono
quelli
“passo-passo” di Siemens, Autelco, Standard,
Ericsson).
In figura
3 c’è
il famosissimo selettore elettromeccanico con braccio a
sollevamento e rotazione. Oggi la tecnologia dei semiconduttori ci
offre la
possibilità di realizzare commutatori interamente
elettronici per la telefonia.
Potenti e veloci calcolatori che controllano matrici di commutazione
dagli
ingombri sempre più piccoli. Benché gli sforzi
delle industrie spesso abbiano
scisso il problema della commutazione da quello della trasmissione,
l’evoluzione tecnologica di entrambi ha fatto sì
che lo sviluppo della
commutazione dovesse tener conto degli sviluppi delle tecniche della
trasmissione e viceversa. Cosicché, con
l’ideazione delle trasmissioni a
multiplazione si sono potute realizzare potenti matrici di commutazione
che
commutano i circuiti fisicamente nello spazio e nel tempo. Ecco
perché, oggi
sarà veramente molto raro trovare centrali di commutazione
telefoniche
costituite dai vecchi organi elettromeccanici, mentre quasi ovunque le
nuove
centrali di commutazione elettronica dispongono di matrici commutative
bistadio
spazio-tempo e tristadio tempo-spazio-tempo.
Una
matrice di
commutazione elettromeccanica o elettronica può essere
rappresentata da una
griglia che può potenzialmente collegare N ingressi
con N uscite. Una
logica di controllo sarà
incaricata a chiudere i circuiti nella griglia in base alle esigenze
richieste.
Ad esempio, nella
figura 4
si
desidera che l’utente “1” sia connesso
all’utente “9”, che l’utente
“2” sia
connesso con il “7” e cosi via.
Tutte
queste
commutazioni di circuito richiederebbero che la logica di controllo
sappia
attuare le giuste connessioni nella griglia, comandando i giusti
dispositivi
addetti alla congiunzione elettrica, siano essi elettromeccanici che
elettronici. Questo passo è molto importante
poiché ci fa comprendere che per
la commutazione automatica con organi elettromeccanici ed elettronici
c’è bisogno
di una sorta di “intelligenza”: quella svolta,
appunto, dalle logiche di
controllo delle matrici di commutazione. Se l’utente
“1” vuole essere collegato
all’utente “9”, la logica di controllo
della matrice analizzando il numero
telefonico dell’utente “9” e composto
dall’utente “1” sa quale tipo di
commutazione dovrà effettuare nella griglia.
Mentre
nella
primitiva telefonia, quando le commutazioni di circuito erano
manualmente
operate dal centralinista attraverso le inserzioni di spinotti, questa
“intelligenza”
era quell’umana, nella commutazione automatica moderna,
invece, sono le logiche
di controllo a costituire un “intelligenza
artificiale”. Questa “intelligenza
artificiale” sviluppa le sue azioni (ovvero le commutazioni)
attraverso
l’analisi di dati, in primis i numeri telefonici che
componiamo. Questi dati,
che devono essere analizzati ed elaborati dalle logiche di controllo,
vengono
tutti insieme chiamati: segnalazione.
Schematizzando:
• Dal passaggio
della primordiale telefonia con
operatore umano alla telefonia più recente,
quell’automatica, nasce la nuova
esigenza della segnalazione
per la
commutazione;
• L’insieme
dei dati di segnalazione per la
commutazione automatica, uniti alle logiche di controllo che
elaboreranno delle
azioni sulla base di questi dati di segnalazione, costituiscono un
nuovo mondo
parallelo ma indivisibile da quello del traffico telefonico.
In figura
4 abbiamo solo una
rappresentazione schematica di principio che
possa darci un’idea della funzione svolta da una matrice di
commutazione. Si
pensi, però, che nelle moderne matrici di commutazione
interamente elettroniche
non esistono congegni elettromeccanici ma delle matrici di memoria RAM,
le cui
celle vengono scritte e lette con velocità incredibilmente
alte e secondo
ordini temporali ben prestabiliti.
Nella figura
5 è
schematizzato il funzionamento di una comune matrice di
commutazione elettronica tristadio TST (Tempo-Spazio-Tempo). Per
comprendere
bene il funzionamento delle matrici Spazio-Tempo si presuppone che
siano chiari
i concetti della multiplazione nel dominio del tempo, relativi alla trasmissione
e che saranno
analizzati di seguito. Ecco
perché, come già scritto, gli sviluppi
tecnologici della trasmissione
influenzano
reciprocamente gli sviluppi della
commutazione
e viceversa.
Tornando alla figura
5 ogni ingresso o
uscita della matrice è costituita da un flusso
seriale di trentadue campioni digitalizzati (detti anche Time Slots) di
traffico telefonico. Ogni Time Slot (d’ora in poi TS) rappresenta un
“flash” istantaneo avvenuto
su un circuito di traffico. I trentadue campioni, quindi, rappresentano
trentadue utenti in conversazione telefonica (in realtà ne
troveremo solo
trenta e non trentadue e vedremo solo in seguito il perché)
che si susseguono
l’uno dopo l’altro ciclicamente. Nella matrice ogni
campione è scritto in una
cella di memoria, cosicché i trentadue campioni si
troveranno in trentadue
celle differenti. Ciò vale per tutti i flussi seriali in
ingresso. Il contenuto
delle trentadue celle viene, poi, replicato per tutti gli stacks dei
flussi
seriali uscenti (transazione Tempo-Spazio). Se volessimo commutare il
campione
“1” del flusso entrante “1” nel
TS
“5”
del flusso uscente “3”,
la logica di controllo dovrà fare in modo che il contenuto
della cella “1” del
terzo stack del flusso entrante “1” venga letto e
scritto nella cella “5” del
terzo stack del flusso uscente “3”. Gli ultimi
stacks dell’ultimo flusso
entrante (terza colonna) costituiscono il risultato di tutte le
commutazioni
avvenute e pertanto la trasformazione parallelo – seriale del
contenuto delle
celle per ogni stack realizza la seconda transazione Spazio-Tempo. Le
attuali
centrali di commutazione, totalmente elettroniche, potentissime in
termini di
velocità e di elaborazione della segnalazione, attuano
ancora oggi la commutazione
di circuito.
Ciò
testimonia che, fondamentalmente, la
telefonia, benché abbia vissuto sviluppi tecnologici enormi,
continua a
sfruttare questa tecnica e ciò vale anche per la ancor
più moderna telefonia
cellulare. Esiste, però, un nuovo
“trend” che si avvale di una tecnica di
commutazione differente, dapprima adottato per le sole
telecomunicazioni dati
tra computers ma che oggi si sta facendo sempre più strada
anche tra le nuove
prospettive della telefonia mobile e fissa: la commutazione
di pacchetto.
In figura
6 è
rappresentato, in modo banale, un tipico collegamento tra
utenti che sfruttano un unico mezzo trasmissivo in commutazione
di pacchetto.
Non
esistono
organi
di commutazione né meccanici, né
elettromeccanici, né elettronici. Tutti gli
utenti possono essere collegati tra loro in un
“brutale” parallelo, cosa che
non sarebbe possibile nella commutazione
di circuito. La
commutazione
è insita nella stessa tecnica utilizzata. Non esistendo un
collegamento (un
circuito) dedicato tra gli interlocutori tutti condividono il mezzo
trasmissivo
ma non tutti contemporaneamente, bensì in tempi diversi e
coordinandosi tra
loro. L’informazione viaggia all’interno di
pacchetti di dati (o datagrammi) ed
ognuno di essi è guidato da una serie di informazioni
aggiuntive ed
indispensabili, contenute nello stesso pacchetto, che riportano il
mittente, il
destinatario, i codici di controllo del flusso, i codici di correzione.
Queste
informazioni aggiuntive costituiscono l’equivalente della segnalazione
per la commutazione
di circuito. Tutti
gli
utenti devono, innanzitutto,
parlare la stessa lingua, sia per comprendere la segnalazione, sia per
decodificare l’informazione utile (payload). Tutti gli
utenti, potendo essere collegati
in parallelo, possono leggere qualsiasi pacchetto venga trasmesso sulla
rete ma
non è detto che tutti i pacchetti letti siano suoi.
L’utente deve capire quali
sono quelli destinati a lui e quali sono quelli da non considerare
perché non
destinati a lui. Questa cernita avviene tramite la lettura del
“destinatario”
per tutti i pacchetti circolanti sulla rete. Questo fa sì
che non debbano
esistere organi di commutazione fisica di circuiti dedicati,
poiché la
ricostruzione dell’informazione da ricevere avviene
indipendentemente da parte
di ogni singolo utente: ognuno provvede a gestire e leggere la propria
segnalazione cosicché ognuno possa provvedere di per
sé a ricostruire e
decifrare il proprio payload. Tuttavia, nella realtà, per
connettere in modo
capillare molti utenti e collegare tra loro le varie piccole reti si
richiede
comunque l’uso di alcune macchine per
l’instradamento dei pacchetti verso altre
reti e per la funzione di nodo di interconnessione e di ritrasmissione
dei
pacchetti: rispettivamente routers
e packet
switches.
Da una
prima
analisi, una rete a commutazione
di pacchetto è
sicuramente
più economica di una rete a commutazione
di circuito, vista
la
pesante infrastruttura richiesta da quest’ultima, ma la prima
ha anche degli
ostacoli non facili da surclassare se si volesse implementare una rete
a commutazione
di pacchetto per
la telefonia,
specie se intesa come
traffico di voce. Primo problema da superare, infatti, è la
velocità di
ricostruzione dell’informazione. Nella commutazione
di circuito non
esistono
problemi di velocità, poiché il circuito
è interamente dedicato: la voce
trasmessa da un utente ad un altro viene ricostruita e ricevuta
all’altro capo
in tempo reale (real-time). Nella commutazione
di pacchetto la
voce
è
difficilmente ricostruibile in “real-time”,
poiché la ricostruzione avviene
pacchetto dopo pacchetto con un flusso di dati discontinuo.
Consideriamo,
inoltre, che nei sistemi a pacchetto esiste un ulteriore
“colloquio” tra gli
interlocutori, detto “handshaking”, che rallenta il
tutto, e fondato su fasi di
acknowledgement (conferma ed accettazione dei dati ricevuti), fase di
correzione degli errori (CRC = controllo del codice di ridondanza),
ritrasmissioni di pacchetti non andati a buon fine. Il risultato
è che la
commutazione di pacchetto è ideale per trasmissioni di
informazioni che non
debbano necessariamente essere in “real-time” come
documenti, immagini o anche
voce e filmati da poter ascoltare e vedere una volta che tutto il
documento è
stato ricostruito. Nonostante ciò, il futuro della telefonia
è orientato
proprio sulla commutazione di pacchetto (voice
IP). Le
grandissime
velocità raggiunte nella commutazione a
pacchetto consentono già oggi la migrazione della telefonia
“real-time” attuale
sulla commutazione
di pacchetto.
Concludiamo
con
il
dire che attualmente la commutazione di pacchetto è il
sistema di funzionamento
di tutte le reti informatiche e si avvale di vari protocolli, partendo
dalla
vecchia rete a pacchetto italiana ITAPAC
(con
protocollo X.25
a 2.400 bit il
secondo) sino ad internet (con
protocollo TCP/IP=Transmission
Internet Protocol/Internet
Protocol).
I vecchi
problemi
delle comunicazioni elettriche erano quelli di trasmettere un segnale a
grandi
distanze senza comprometterne le caratteristiche elettriche e quindi
l’intelligibilità.
Oggi, invece, risolti buona parte dei vecchi problemi, rimane quello
della
capacità. L’esigenza fondamentale per la
trasmissione telefonica è quella di
trasportare, con un costo minimo, un carico di traffico e segnalazione
il più
grande possibile. A questo problema è venuto incontro la multiplazione. Se le TLC
avessero focalizzato il loro
problema solo sulla commutazione, trascurando la trasmissione, non avrebbero
avuto lo sviluppo odierno.
Infatti, sarebbe stato impossibile e improponibile cablare tutti gli
utenti
telefonici per farli comunicare tra loro. Tutto parte dal presupposto
che
posare un cavo ha un costo considerevole.
L’idea
della multiplazione
propone di far
condividere a più canali di
traffico e/o di segnalazione un unico mezzo trasmissivo per il
trasporto. La
tecnica di multiplazione
più
datata è quella FDM (Frequency
Division Multiplexing =
multiplazione a divisione di frequenza) cioè quella di
modulare più canali
telefonici e di segnalazione su portanti di differente frequenza e di
estrarre
(demultiplare) gli stessi canali a valle tramite l’ausilio di
filtri analogici.
La FDM ha egregiamente
funzionato per molti anni ma
il mantenimento della rete, in termini di manutenzione, è
sempre stato molto
complesso ed oneroso o meglio, poteva andar bene per le vecchie reti
telefoniche non capillari come quelle richieste oggigiorno. Tuttavia
ancor
esistono alcuni tratti di linea in cui il trasporto avviene con
multiplazione FDM. Il limite
capacitivo della multiplazione di
frequenza ha spinto sinergie per nuovi sistemi più capienti
per il trasporto e
meno costosi da mantenere: nasce la telefonia digitale.
L’idea della
multiplazione digitale nacque basandosi sugli studi del matematico
Shannon
Claude Elwood. La banda base telefonica standardizzata
dall’ex CCITT (Comitato
Consultivo Internazionale Telegrafico e Telefonico), oggi ITU-T, si
estende da
300Hz a 3400Hz . Ciò significa che la voce di un utente,
convertita in un
segnale elettrico, deve essere contenuta in tutte le frequenze che la
compongono all’interno di una banda di circa 3KHz. Il teorema
di Shannon vuole
che per campionare un segnale e per poterlo riprodurre si applichi una
frequenza di campionamento pari ad almeno il doppio della frequenza
massima del
segnale da campionare. Estendendo per eccesso il limite massimo della
banda
telefonica dai 3400Hz ai 4000Hz la frequenza minima di campionamento
è di 8KHz,
ovvero due campioni per ogni periodo. L’intervallo di tempo
che intercorre tra
il primo ed il secondo campione è di: 1/8000Hz = 125µs.
Ogni campione viene poi inviato ad un “codec” che
codifica digitalmente, con
una serie di otto bit (che si chiama Time
Slot - d’ora
in poi TS), il valore di
ampiezza del campione. La
durata del pacchetto di otto bit, che codifica un singolo campione,
deve durare
3,9µs (figura
7).
Questo tipo di modulazione prende il nome di PCM (Pulse Code
Modulation). Come si nota dalla
figura lo spazio che intercorre tra il primo ed il secondo campione
è
abbastanza ampio e quindi si è ben pensato (figura
8) di
intercalare
nello spazio temporale dei
125µs altri campioni
di altri canali telefonici per un massimo di
trentadue (125µs/3,9µs = 32). Intercalando i
trentadue TS
uno dopo
l’altro otteniamo una multiplazione
nel dominio del tempo TDM
(Time Division
Multiplexing) con un flusso seriale che si ripete ciclicamente ogni 125µs.
La durata di ogni 125µs prende il nome
di trama PCM
. La figura
9 illustra lo
schema concettuale per realizzare una multiplazione TDM con una serie di
campionatori che lavorano
parallelamente. Gli interruttori, che prelevano i campioni di ogni
canale, si
chiudono ogni 125µs ma non potranno
farlo contemporaneamente
bensì ognuno con un ritardo di 3,9µs dal precedente.
Il campionatore è
realizzato con un unico chip chiamato COMBO che attua al suo interno
tutte le
funzioni di campionamento, quantizzazione logaritmica in
“legge µ”e
codifica digitale (figura
10). Il
flusso seriale ottenuto all’uscita avrà una
frequenza di cifra di 2Mbit /sec e
il singolo TS
una frequenza di
64Kbit/sec. Il flusso PCM potrà
essere poi trasmesso su una linea sia
elettrica che ottica o inviato ad un ponte radio. E’ chiaro
che il flusso PCM dovrà
essere sottoposto ad una codifica di
linea prima della trasmissione: i codici utilizzati sono HDB3
(High Density
Bipolar 3) per linea elettrica
e CMI
(Coded Mark
Inversion) per fibra ottica. Il
normale codice binario ottenuto dai multiplatori è di tipo TTL (Transistor-Transistor-Logic)
dove il bit 1 è
rappresentato da una tensione elettrica a +5Volt ed il bit 0 da
un’assenza di
tensione (0Volt). Il codice TTL
in TLC prende
anche nome di NRZ (No Return to
Zero) poiché in caso di una
serie consecutiva di bit 1 la tensione elettrica a 5Volt
rimarrà tale per tutta
la durata complessiva dei bit senza che si verifichi una transazione
verso lo
zero. Una situazione di bit consecutivi di tipo 1 e di tipo 0
è molto dannosa
per i multiplatori che ricevono il flusso PCM perché
queste macchine per tutta la durata della serie consecutiva non
riusciranno ad
estrarre il clock. Un codice di linea deve poter consentire alle
macchine di
poter estrarre sempre il clock e per evitare sequenze statiche di bit
contiene
quante più transazioni possibili. Il codice HDB3 trasforma
tutti bit 1 in una transazione in cui per metà tempo del bit
TTL ci
sarà uno 0. Inoltre alterna a tutti i bit
1 la polarità (ad un primo bit 1 di polarità
positiva seguirà sempre un bit 1
di polarità negativa) spaziando da +12Volt a
–12Volt. Infine aggiunge un bit di
violazione quando si verifica un terzo bit consecutivo di tipo 0. Il
codice CMI, invece,
è derivato dal codice HDB3 ma non contiene
la bipolarità poiché su fibra
ottica non viaggiano segnali elettrici e quindi non esiste la
polarità di
tensione. Nel CMI il bit 1
è lasciato intatto, un bit che in HDB3 assume
polarità negativa equivale ad un
normale bit 0 ed uno 0 in HDB3
viene convertito
in una
transazione 0 1. La figura
11 illustra il
passaggio da un codice NRZ ad un HDB3 e
ad un CMI.
Nella
trama di un
flusso PCM
a 2Mbit/s i TS sono
numerati da 0 a 31 ed il TS0
avrà
funzione di flag di
allineamento e sincronizzazione per le trame pari oppure di trasporto
degli
allarmi di linea per le trame dispari. Il TS16,
come vedremo in seguito, verrà dedicato al trasporto della
segnalazione per i
tutti i restanti trenta TS.
Esistono
ordini
di
multiplazione superiori con frequenze di cifra multiple ai 2 Mbit/s. In
tal
caso i flussi entranti vengono chiamati tributari
in analogia
con i
fiumi più piccoli che diventano tributari
quando convogliano in un corso d’acqua più grande.
Gli ordini superiori sono:
• 8 Mbit/s (secondo
ordine di multiplazione in
cui vengono multiplati quattro flussi tributari 2 Mbit/s) ormai in
estinzione;
• 34 Mbit/s (terzo
ordine di multiplazione in
cui vengono multiplati quattro flussi tributari a 8 Mbit/s) ormai in
estinzione;
• 140 Mbit/s
(quarto ordine di multiplazione in
cui vengono multiplati quattro flussi tributari a 34 Mbit/s) ancora
usato.
Come
accennato
nel
precedente articolo il TS0
funge, nelle
trame di ordine
pari, da byte di allineamento e sincronizzazione e ciò ci fa
comprendere che
una rete di TLC basata sulla trasmissione con flussi PCM a 2Mbit/s o di
ordini superiori è
fondamentalmente una rete asincrona. Ogni macchina che realizza la
multiplazione (il multiplatore) trasmette e riceve flussi PCM lavorando in modo
totalmente autonomo con gli
altri: chi trasmette non trasferisce a chi riceve il suo clock su una
linea
separata. Nella realtà ogni multiplatore deve agganciarsi al
sincronismo del
multiplatore che gli ha trasmesso il flusso e ciò avviene
estraendo
automaticamente il clock dal TS0. Questa
sincronizzazione è indispensabile e
si pensi a cosa succederebbe se non esistesse. Nella rete esistono
comunque
alcuni multiplatori (o nodi di rete) a cui gerarchicamente è
stato stabilito un
ruolo più alto dal punto di vista della sincronizzazione,
scelti magari perché
dispongono di oscillatori locali di maggiore stabilità e
precisione: essi
distribuiranno, in modo capillare, la loro sincronizzazione a tutti gli
altri
nodi della rete tramite il TS0
dei loro flussi
uscenti.
Così tutta la rete si auto-sincronizzerà sulla
base della temporizzazione dei
nodi scelti con gerarchia superiore. Una tale rete prende il nome di
rete plesiocrona
o PDH
(Plesiocronous
Digital
Hierarchy).
Con
l’avvento della SDH (Syncronous
Digital Hierarchy) le reti
plesiocrone sono diventate sincrone. In una rete SDH tutti i nodi di
trasmissione/ricezione
continuano ad estrarre il clock dai flussi ricevuti ma tutti dipendono
gerarchicamente da uno o più nodi principali che dispongono
di un clock con
precisione atomica. I flussi trasmessi dai nodi in gerarchia superiore
trasmettono, tramite i loro flussi, il sincronismo di alta precisione a
tutto
il resto della rete. L’esigenza della SDH
non è
stata solo quella di
trasformare una rete di TLC da plesiocrona
a sincrona
ma anche di
ricercare un unico sistema di
standardizzazione mondiale per gli ordini di multiplazione nelle
trasmissioni.
Europei, americani e giapponesi, infatti, adottano differenti ordini di
multiplazione (ad esempio si pensi che l’equivalente del
2Mbit/s europeo, in
America e in Giappone è 1,5Mbit/s). In sintesi tutti i
vantaggi della SDH sono:
• una
temporizzazione unica e di alta
precisione per tutte le reti;
• rendere
compatibili sistemi plesiocroni
differenti per ordini di multiplazione e per
apparecchiature;
• trasportare dati
che non siano solo quelli
della telefonia ma anche dati di reti informatiche;
• costruire una
rete flessibile che permetta
l’implementazione di nuovi servizi per una gestione da
operatore remoto
(possibilità di permutazione da remoto, rivelazione e
auto-gestione degli
allarmi di linea, auto-gestione delle protezioni di linea).
Il
metodo con cui
la
SDH
risolve i
problemi di differenti standardizzazioni
di trasmissione nel mondo delle TLC esige un’analisi accurata
del funzionamento
del suo protocollo e dei suoi servizi supplementari ma ciò
richiederebbe una
trattazione esclusivamente dedicata e di ingente complessità
e dimensione.
Quello che si vuole illustrare di seguito è solo una
panoramica molto
superficiale sulla base del suo funzionamento.
La SDH si basa su un
protocollo di trama detto STM-1
(Single
Transport
Module). Il modulo STM-1 altro non
è che una trama simile a quella
vista per i normali flussi PCM
ma ben
più complicata ed
articolata. La sua rappresentazione bidimensionale è in figura
12. La
bidimensionalità non
deve trarre in inganno: si tratta sempre di una trasmissione seriale
(tipo
quella dei flussi PCM) che avviene
byte dopo byte dall’alto verso
il basso e da sinistra verso destra (ne risulta una trasmissione
interlacciata). Una trama STM-1
contiene 270 x 9
= 2430
byte, trasmessi in un tempo di 125µs. La frequenza
di cifra è quindi di 155,52
Mbit/s.
Il
modulo STM-1
è
composto di due parti: il SOH (Section Over
Head) che potremo associare mentalmente ad una motrice di autotreno e
la AU-4
(Administrative Unit) che assoceremo ad un vagone di trasporto del
carico utile
di informazione. La sezione SOH è divisa in due parti: la
parte superiore
(R-SOH) letta e scritta dai rigeneratori di linea e la parte inferiore
(M-SOH)
letta e scritta dai multiplatori. I 72 byte della SOH sono utilizzati
in vario
modo:
• 2 byte di
allineamento trama (A1 e A2);
• 1 byte che
identifica la numerazione
progressiva di trama;
• 2 canali fonici
di servizio (canali
ausiliari);
• 1 byte di
rivelazione di tasso d’errore (BER)
per i rigeneratori di linea (se un rigeneratore di linea introduce un
tasso
d’errore scrive in questo byte il BER introdotto per
comunicarlo alla macchina
successiva);
• 1 byte di
rivelazione di tasso d’errore (BER)
per i multiplatori;
• 12 byte DCC (Data
Communication Channel) per
il tele-menagement remoto della rete. I restanti byte sono vuoti ed
utilizzabili per scopi futuri. La quarta riga della sezione SOH
(chiamata AUOH)
non è parte di essa ma del contenitore AU-4 e serve come
puntatore per l’inizio
dell’intera struttura che segue, cioè il VC-4.
Il VC-4
(Virtual
Container di quarto ordine) è il vero vagone di trasporto
del carico utile (payload).
Quest’ultimo può contenere al suo interno
flussi plesiocroni ma anche pacchetti dati nelle forme più
disparate (ATM,
TCP/IP, X.25 ecc.) secondo un’organizzazione strutturale ben
prestabilita dalle
procedure di mapping. Per mapping si
intende la procedura standardizzata di inserimento del payload all’interno
del VC-4. E’ bene a tal punto
accennare ad alcune standardizzazioni relative
all’impacchettamento di trame
telefoniche nel VC-4:
• un flusso
plesiocrono 2Mbit/s (1° ordine
europeo di multiplazione) entra in un contenitore C12
• un flusso
plesiocrono 1,5Mbit/s (1° ordine
americano di multiplazione) entra in un contenitore C11
• un flusso
plesiocrono 6Mbit/s (2° ordine
americano) entra in un C2
• un flusso
plesiocrono 34Mbit/s (3° ordine
europeo) o un 45Mbit/s (3° ordine americano) entra in un C3
• un flusso
plesiocrono 140Mbit/s (4° ordine
europeo) entra in un C4
Questi
flussi
opportunamente riempiti (stuffing) vengono fatti precedere da un serie
di bit
detta POH (Path Over Head), che raccoglie le informazioni del tipo di
flusso
plesiocrono, e diventano VC (Virtual Containers). A loro volta i
contenitori di
tipo VC-12, VC-11, VC-2 e VC-3 vengono incapsulati dentro strutture
più grandi,
le unità tributarie TU, dopo che sono stati fatti precedere
da appropriate
informazioni di puntamento.
L’ETSI,
organismo
europeo di standardizzazione delle TLC, prevede tre tipi di TU: TU3
(che
trasporta un VC-3), TU-2 (che trasporta un VC-2) e TU-12 (che
può trasportare
un VC-12 oppure un VC-11). Create le TU, quest’ultime,
vengono poi
interlacciate per creare una TUG (Tributary Unit Group). La
standardizzazione
ETSI prevede due tipi di TUG: TUG2 (che può contenere tre
TU-12 o un solo TU2)
e la TUG-3 (che può contenere sette TUG-2 o un solo TU-3).
La figura
13 illustra come
riempire un VC-4 con tutti flussi plesiocroni a
2Mbit/s. Naturalmente, all’interno di una trama STM-1, la capienza
massima di flussi PCM 2Mbit/s
è di 63.
Esistono
ordini
di
multiplazione superiori a quello di STM-1: i
più noti ed utilizzati sono STM-4
(155Mbit/s x
4=
620Mbit/s) ed STM-16
(155Mbit/s x
16=2,5Gbit/s) ma l’industria sta
già spingendo oltre la soglia dei 10Gbit/s.
I
multiplatori
per SDH sono detti ADM, acronimo di
Add-Drop Multiplexer
(multiplatori ad inserzione e spillamento). Essi hanno la
possibilità di
aggiungere ed estrarre un singolo contenitore nel e dal VC-4. Questa
operazione
è chiamata in gergo cross-connessione. E’
possibile ad esempio introdurre sul
flusso STM-1
o superiore un
singolo contenitore VC-12
(flusso plesiocrono 2Mbit/s) e viceversa estrarlo (figura
14).
Le
reti in telefonia fissa sono dette PSTN
(Public
Switched Telephone Network) a cui si
è poi affiancata una rete più
evoluta, che condivide in buona parte le stesse risorse fisiche della
prima,
chiamata ISDN
(Integrated
Services Digital Network) e che supporta
nuovi servizi digitali
precedentemente non previsti. Nella rete PSTN,
essendo gli utenti statici e non mobili la segnalazione per la
commutazione di
circuito è sostanzialmente molto meno complicata. Il numero
telefonico
assegnato ad ogni utente (directory
number)
costituisce il
dato di segnalazione più importante da elaborare per
instradare la via alla
connessione. Nella figura
15
è
illustrato, a titolo
esemplificativo, l’instradamento che avviene tra un utente A
per collegarsi ad
un utente B o C. La funzione di commutazione avviene tramite
l’elaborazione del
numero di telefono che l’utente A compone sul suo apparecchio
telefonico.
Innanzitutto è analizzato il prefisso, cosicché
se l’utente A vuole raggiungere
l’utente B a Roma, la centrale di commutazione a cui fa capo
l’utente A (cioè
Napoli) inizia l’instradamento sui flussi in direzione di
Roma, altrimenti se A
vuole comunicare con C a Caserta lo smistamento del nodo di Napoli
è in
direzione del nodo di Caserta. Supponiamo che si voglia instaurare il
collegamento tra A di Napoli e C di Caserta. Il nodo di Caserta, a sua
volta, analizza
le prime cifre del numero di C dopo il prefisso e smista ai suoi nodi
di
commutazione gerarchicamente inferiori l’ulteriore
instradamento fino ad
arrivare al doppino di C. Per un call
setup (inizializzazione
di
chiamata) il nodo di Napoli analizza il prefisso di C e assegna un TS nel flusso in
direzione di Caserta.
Quest’ultimo riceve la segnalazione da Napoli, analizza le
ulteriori cifre che
identificano C e comunica alla sotto-centrale di competenza
l’arrivo di una
chiamata per C. Se la sottocentrale trova l’utente
disponibile comunica alla
centrale superiore (Caserta) che è possibile instaurare il
circuito. Stessa
cosa fa la centrale di Caserta con quella di Napoli. A tal punto
avviene l’instaurazione
della chiamata e l’assegnazione effettiva del primo TS libero. Ogni
centrale conosce il TS da cui proviene
l’utente A e quello
assegnatogli in uscita.
Ricordiamoci, da quanto illustrato, che nelle reti PSTN la segnalazione tra le centrali di commutazione consente di mettere in piedi un circuito semplicemente attraverso l’analisi del numero telefonico dell’utente chiamato. Lo stesso sistema è utilizzato per abbattere un circuito di conversazione. Tutta questa segnalazione viaggia nei flussi PCM di trasporto e precisamente nel TS16 (detto anche segnalatore). Il TS16 è un canale dedicato che porta la segnalazione dei trenta canali di traffico telefonico. Essendo composto da otto bit non potrebbe portare segnalazione per tutti contemporaneamente, così esso è stato diviso in due gruppi di quattro bit ciascuno in cui ogni gruppo porta segnalazione per un solo canale di traffico. Nella prima trama saranno soddisfatti i primi due canali, nella seconda trama i secondi due e così via. Serviranno ben sedici trame in successione - la multitrama - per consentire al TS16 di completare la segnalazione di tutti i trenta canali (figura 16). E’ questo il sistema di trasporto di segnalazione detto CAS (Channel Associated Signalling). Poiché ogni collegamento con flussi PCM è da considerarsi sempre bidirezionale (trasmissione e ricezione) per ogni tratto sono usati due TS16, uno che realizzerà la segnalazione in trasmissione e l’altro in ricezione (segnalazione a due vie). Il sistema di segnalazione associato al canale funziona egregiamente per reti di telefonia fissa PSTN ma con l’avvento delle nuove reti come la ISDN e quella mobile GSM questo sistema è stato abbandonato del tutto poiché non sufficiente a supportare la crescente mole di dati di segnalazione. Al vecchio sistema CAS si è sostituito il più potente sistema di segnalazione CCSS7 (Common Channel Signalling System n° 7), ideato dal CCITT nel 1981. La differenza tra il CAS e il CCSS7 è sostanziale. Come visto il CAS è un sistema di segnalazione molto rigido totalmente intercalato nell’organizzazione di una trama PCM 2Mbit/s e nella sua multitrama: il TS16 è l’unica risorsa all’interno del flusso PCM che trasporta tutta la segnalazione dei trenta canali dello stesso flusso ed inoltre la segnalazione è trasportata in modo continuo per tutta la durata di una chiamata. La segnalazione CCSS7, a differenza della CAS, è totalmente svincolata dall’organizzazione della trama del flusso PCM: non è necessario che il trasporto di segnalazione sia intercalato nella struttura della trama PCM ma può viaggiare anche separatamente dai canali di traffico ed anche su altri mezzi fisici (figura 17). Inoltre la CCSS7 può sfruttare protocolli a commutazione di pacchetto. La figura 17 illustra, a titolo esemplificativo, un collegamento (link) di segnalazione separato dai collegamenti di traffico ma la segnalazione CCSS7 può, similmente alla CAS, viaggiare all’interno dei flussi PCM che trasportano anche traffico. In questo caso non è necessario che gli sia assegnato il segnalatore TS16 ma uno qualsiasi (escluso naturalmente il TS0) e che costituirà un normalissimo canale a 64Kbit/s (in cui far viaggiare i suoi protocolli a pacchetto) totalmente indipendente dalla struttura d’organizzazione della trama. Quest’ultimo è il metodo che Omnitel ha finora usato, cioè facendo condividere i segnalatori CCSS7 con i canali di traffico all’interno dei suoi flussi PCM. La CCSS7 ha una capacità di trasporto di segnalazione notevole (un solo TS può servire fino a diecimila canali fonici e mille canali fonici nel GSM) e pertanto costituisce l’unico sistema utilizzabile per la telefonia GSM.
prosegue in "Approccio allo studio di una rete telefonica GSM"...