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.

 

 

COMMUTAZIONE

 

Commutazione di circuito

 

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.

 

 

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).

 

 

TRASMISSIONE

 

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.

 
Multiplazione

 

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.

 

 

SINCRONIZZAZIONE (RETI PDH E SDH)

 

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).

 

 

COMMUTAZIONE TELEFONICA PSTN/ISDN

 

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.

 

 

SEGNALAZIONE CAS E CCSS7

 

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"...

 

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