Dalla commutazione manuale Alla telefonia su IP Alle reti mobili di 3 a generazione (UMTS)

1. Le reti telefoniche Dalla commutazione manuale Alla telefonia su IP Alle reti mobili di 3a generazione (UMTS)

2. Evoluzione delle reti telefoniche • Fine ‘800 primi ‘900: • trasmissione analogica • commutazione manuale (operatore che “sposta spinotti”) • architettura non gerarchica • Anni ‘20 e ‘30 • introduzione delle reti gerarchiche di lunga distanza • introduzione dei primi commutatori semi-automatici (con operatore)

3. Evoluzione delle reti telefoniche • Anni ’40 e ’50: • autocommutatori elettromeccanici • prima “teleselezione” • Anni ’60: • introduzione della trasmissione e della commutazione numerica PCM (Pulse Code Modulation) • primo commutatore elettronico (USA‘65)

4. Evoluzione delle reti telefoniche • Anni ’70: • diffusione delle reti PCM • introduzione dei sistemi di segnalazione a canale comune (SS7) • Anni ’80: • completamento (??) della IDN (Integrated Digital Network) • definizione e prime installazioni di ISDN (Integrated Services Digital Network) • diffusione delle reti cellulari analogiche

5. Evoluzione delle reti telefoniche • Anni ’90: • diffusione (??) di ISDN • introduzione delle reti intelligenti • definizione della Broadband-ISDN (ATM) • diffusione delle reti cellulari numeriche • 2000 +: • trasporto della voce su reti a pacchetto • reti cellulari a commutazione di pacchetto (GPRS) e larga banda (UMTS)

6. Le reti telefoniche tradizionali • La rete attuale (POTS - Plain Old Telephony Services) • La rete ISDN (trattata piu` avanti) • Il supporto trasmissivo SDH (trattato piu` avanti con ATM)

7. La rete POTS • L’attuale rete telefonica e` sostanzialmente una IDN (Integrated Digital Network) • Interfaccie servizio/specifiche (analogiche) • Commutazione a circuito • Trasmissione/commutazione numerica PCM • Segnalazione a canale comune (SS#7 - trattata con ISDN)

8. Il modello di riferimento • L’architettura e` divisa in piano utente, piano di controllo (segnalazione) e piano di gestione (che non vediamo) bla ... bla ... bla protocolli di utente (PCM) informazione di utente protocolli di utente (PCM) protocolli di segnalazione (SS#7) informazione di controllo protocolli di segnalazione (SS#7)

9. PCM SS#7 Informazione e controllo “viaggiano” separati nodo SS#7 centrale locale centrale locale nodo SS#7 SS#7 PCM nodo PCM nodo PCM nodo PCM

10. Organizzazione (piano utente) • E` tipicamente organizzato su 3 livelli: • Rete di accesso (da casa dell’utente alla centrale locale) • Rete di giunzione (tra le centrali locali e la il centro distrettuale - non necessariamente coincide con un prefisso telefonico) • Rete di lunga distanza (connette tra loro le centrali di gerarchia piu` elevata)

11. Rete di Trasporto e Accesso • Una suddivisione alternativa e` tra • Rete di Trasporto (giunzione+lunga distanza), destinata al “trasporto” delle informazioni • Rete di Accesso, destinata alla raccolta delle informazioni • In altre parole una architettura “Core & Edge”. La rete di trasporto e` spesso chiamata “backbone”

12. Architettura della rete rete di lunga distanza centrale distrettuale rete di giunzione centrale locale rete di accesso

13. Interconnessione delle diverse “reti” • I punti di interconnessione tra le reti di accesso, giunzione e lunga distanza sono apparati condivisi (es. dei commutatori) • La rete di trasporto (in particolare a lunga distanza) ha pochi nodi ad elevata capacita` ed e`molto magliata • La rete di accesso ha un elevatissimo numero di nodi (i terminali di utente) ed una topologia ad albero.

14. Rete di Accesso (RA) • RA e` realizzata con doppini, ha inizio con la centrale di commutazione locale • La distribuzione del segnale avviene mediante ramificazioni successive, man mano che ci si avvicina al terminale d’utente • Le centrali locali raccolgono tipicamente alcune decine di migliaia di utenti

15. Soluzioni per le RA del futuro • Miglior sfruttamento dei doppini installati: xDSL e similaria • Cavo coassiale in rame: CableModem o simili basati sui cavi a 75W • Reti in fibra ottica o miste fibra/rame: PON, ... • Accesso via radio, tipicamente a frequenze molto elevate (micro-onde, infrarosso lontano): LMDS, MMDS, ...

16. La rete di giunzione • Fibra ottica (quasi interamente) • Topologia ad anello (doppio anello controrotante) • Tecnologia SDH (Sinchronous Digital Hierarchy) • Alcune parti ancora PDH (Pleisochronous Digital Hierarchy)

17. La rete di lunga distanza • Interamente in fibra ottica • Tecnologia SDH • Pochi canali molto veloci • Spesso ridondata in “hot swap”: il fascio di canali viaggia su due percorsi diversi contemporaneamente e il nodo di destinazione sceglie il migliore

18. I nuovi servizi ela “Rete Intelligente” • “Numeri verdi” e rete `800’ • Centralizzazione dei servizi • Convergenza fonia/dati/mobilita`

19. Dov’e` l’intelligenza? • Il termine Rete Intellgente (RI) si riferisce alla possibilita` di fornire servizi supplementari ad elevato valore aggiunto • RI definisce una architettura di segnalazione incrementale rispetto a SS#7 • E` basata sulla centralizzazione dei servizi in nodi appositi “esterni” rispetto ai piani di utente e di controllo della rete

20. Genesi della RI • La RI e` basata su standard ITU-T che garantiscono l’interoperabilita` delle RI di operatori diversi, anche a livello internazionale • L’introduzione deve essere incrementale sulle reti esistenti ed e` stata divisa in “Capability Sets” • Il fine ultimo e` l’integrazione funzionale delle reti specializzate nella UPT (Universal Personal Telecommunications)

21. Capability Sets • CS1: Approvato nel ‘92 e rivisto nel ‘95, definisce il protocollo applicativo per l’implemetazione di rete intelligente, Intelligent Network User Part (INAP), e le prime funzioni da supportare • CS2: Definito tra il ‘94 ed il ‘98 mira alla gestione della mobilita` e dei servizi a larga banda • CS3: In fase di definizione ...

22. Servizi di CS1 • Numero Verde • Selezione abbreviata • Completamento della chiamata su occupato • Reinstradamento delle chiamate • Follow-me • Addebiti al chiamato e su carta telefonica • Televoto • Reti Private Virtuali • Numero personale • .......

23. Servizi di CS2 • Gestione avanzata della mobilita (es. instradamento programmato in funzione dell’ora) • Interoperabilita` dei servizi • Supporto della gestione di rete • Indipendenza del numero dall’instradamento • Autenticazione e registrazione dell’utente indipendentemente dal terminale usato • .......

24. Servizi di CS3 • Completa separazione del servizio dalla rete di trasporto • Profilo di utente memorizzato dalla rete (modificabile e “context dependent”) • Integrazione completa tra RI, rete a larga banda e reti cellulari • Convergenza telefonia-internet • .......

25. INAP links Architettura di principio data base data base SMP SMP SCP SCP SSP SSP SS#7 SSP SSP: Service Switching Point SCP: Service Control Point SMP: Service Managing Point

26. Apparati e Servizi • SSP e` associato alla centrale locale, in sua assenza RI non puo` funzionare • Il servizio RI e` riconosciuto in base al numero (es. numero verde) oppure in base a segnalazione successiva (es. “5” per richiamata su occupato) • SCP ed SMP (+basi dati) possono essere centralizzati in un unico punto oppure distribuiti a seconda dei servizi

27. Codifica e pacchettizzazionedella voce • PCM (G.711) • ADPCM • Algoritmi LPC-LTP (GSM) • Algoritmi CELP (G.729, G.723, Enhanced GSM)

28. Segnale Vocale • Il segnale vocale e` un’onda di pressione in aria • Un microfono lo trasforma in un segnale elettrico analogico (pressione volt) -- NOTO!! • Le tecniche di codifica si dividono tra quelle che usano la sola conoscenza del segnale elettrico istantaneo e quelle che sfruttano le caratteristiche dell’apparato di fonazione e uditivo

29. Campionamento e Quantizzazione ampiezza tempo

30. PCM lineare e “companding” • Il PCM (Pulse Code Modulation) e` un processo di campionamento e quantizzazione • La quantizzazione puo` essere lineare (tutti gli intervalli uguali) o non lineare (intervalli diversi a seconda dell’ampiezza) anche detto “companding” • PCM lineare: CD (~44 kHz, 16 bit) • PCM companding: telefonia (8kHz, 8 bit)

31. PCM lineare e “companding” • PCM lineare: CD (~44 kHz, 16 bit) qualita` eccellente (MOS 5) • PCM companding: telefonia (8kHz, 8 bit, 64 kbit/s) qualita` buona (MOS 4+), standard ITU-T G.711 • MOS: Mean Opinion Score

32. PCM adattativo o differenziale • E` possibile modificare nel tempo l’ampiezza degli intervalli di quantizzazione in funzione della dinamica del segnale (adattamento) • E` possibile codificare la differenza tra un campione e il precedente: se c’e` correlazione tra i campioni la dinamica della differenza e` minore di quella dei campioni; al posto della differenza si possono usare tecniche piu` sofisticate di predizione

33. PCM adattativo e differenziale • Un PCM adattativo e differenziale di qualita` buona (MOS 4) e` l’ADPCM a 32kbit/s (G.721) • Un altro esempio e` la modulazione delta, in cui il segnale e` campionato a frequenza elevata per ottenere alta correlazione tra i campioni e la differenza e` campionata su un solo bit, che indica se il segnale cresce o decresce

34. Pacchettizzazione • Il PCM e i suoi derivati codificano il segnale campione per campione • Le reti di telefonia tradizionale trasmettono campione per campione • In una rete a commutazione di pacchetto devo accumulare campioni fino a riempire un pacchetto (es. payload 80 byte -> 80 campioni PCM -> 10ms di voce) !!RITARDO!!

35. Codificatori a blocco • Trasmettere a pacchetto implica ritardo ... • Considerando un segmento vocale (es. un fonema di durata 10-500 ms) e` possibile usare algoritmi di codifica e compressione molto efficienti • Si parte da una codifica PCM lineare eccellente, si raggruppano da 80-320 campioni (10-40 ms) e si lavora sull’insieme (blocco)

36. Codifica LPC-LTP • La codifica Linear Prediction Coding - Long Term Prediction si basa sulla modellizzazione fisica del tratto vocale mediante un filtro • Si calcolano e trasmettono i coefficienti del filtro • Il segnale viene rigenerato eccitando il filtro con rumore gaussiano bianco o un treno di impulsi regolari (RPE - Regular Pulse Excitation)

37. Codifica CELP • Code Excited Linear Prediction • E` un codificatore LCP in cui l’eccitazione per ricostruire il segnale non e` rumore bianco ma una sequenza di un “codebook” (catalogo) che minimizza l’errore rispetto al segnale originale • Il codificatore e` molto complesso perche` deve scegliere tra i possibili codici in modo esaustivo

38. Codificatori GSM • GSM tradizionale: • codificatore LPC-LTP con RPE • blocchi da 20ms che producono 260 bit raggruppati in 3 livelli di importanza (50+132+78) • 13kbit/s • GSM Enhanced (1800 e telefonini dual-band) • CELP a 12.6 kbit/s

39. Codificatori per reti a pacchetto (IP) • G.729: • CELP a 8kbit/s • G.723: • CELP a 6.3 o 5.3 kbit/s • Tutti i codificatori hanno MOS>4 (tranne il GSM originale che e` poco sotto 4) e sono pressoche` in indistinguibili dalla telefonia PCM

40. RETI CELLULARI: Comunicazioni personali ed evoluzione verso le reti integrate

41. Cenni storici - 1 • La propagazione nello spazio libero è usata da quasi 100 anni per le telecomunicazioni • I primi (rudimentali) sistemi di telecomunicazione non diffusiva con mezzi mobili appaiono durante la seconda guerra mondiale • I primi sistemi di telefonia mobile risalgono agli anni ’60, ma sono costosi, poco pratici, con bassa qualità e bassa affidabilità

42. Cenni storici - 2 • Nei primi anni ’80 vengono installate le prime reti cellulari nel senso “moderno” del termine (1983 Chicago, 1980/2 prototipazione in Giappone) • reti “specializzate” (es. private di una organizzazione) • piuttosto costose • bassa capacità e versatilità • Nella seconda metà degli anni ’80 vengono installate le reti analogiche “avanzate” (AMPS,NMT, TACS) con immediato ed enorme successo commerciale

43. Cenni storici - 3 • AMPS:Advanced Mobile Phone Service • è uno standard U.S.A. (EIA-553); lavora nella banda intorno agli 800 MHz • diffusione: Stati Uniti, Canada, Messico, Australia, Nuova Zelanda, Taiwan, Corea del sud, Singapore, Hong Kong, Thailandia, Brasile, Argentina, ... • TACS:Total Access Communications System • è uno standard sviluppato nel Regno Unito; lavora nella banda intorno ai 900 MHz, di fatto è un adattamento dello standard AMPS • diffusione: U.K., Italia, Irlanda, Spagna, Austria, Penisola Arabica, ...

44. Cenni storici - 4 • NMT:Northern Mobile Telephone System • è uno standard scandinavo, sviluppato indipendentemente da AMPS e TACS; lavora nelle bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; ci sono notevoli differenze nel funzionamento tra le 2 bande • diffusione: Scandinavia, BeNeLux, Austria, Francia, Ungheria, Spagna, Svizzera, ...

45. Cenni storici - 5 • Alla fine degli anni ’80 è diventato chiaro che le reti cellulari esistenti non erano in grado di sopportare la domanda di traffico e qualità a meno di: • risolvere i problemi di bassa capacità a causa dell’indisponibilità dello spettro • migliorare in modo significativo la qualità del servizio e la gamma dei servizi disponibili • diminuire drasticamente i costi delle apparecchiature • risolvere i problemi di interoperabilità tra sistemi diversi

46. Cenni storici - 6 • I 4 problemi da risolvere hanno spinto verso soluzioni di tipo concertato (standard internazionali) con tecnologia numerica (GSM, D-AMPS, IS-95)

47. Cenni storici - 7 • Nel ‘92 e` stato introdotto GSM in Europa con un successo ed una diffusione enorme • D-AMPS e IS-95 (CDMA) sono introdotte in USA nella meta` degli anni ‘90 con grande successo (meno del GSM) • Fine anni ‘90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto • ... domani ... UMTS

48. Una differenza fondamentale • RETE WIRELESS • è una (sotto)rete in cui l’accesso da un terminale avviene attraverso un canale “senza filo” • RETE CELLULARE • è una rete la cui copertura geografica è ottenuta con una tassellatura di aree adiacenti e/o sovrapposte dette celle. L’utente (terminabile mobile) si può muovere attraverso la retepassando da una cella all’altra senza interrompere la comunicazione

49. Terminale Terminale Terminale Rete Wireless con Punto di Accesso Fisso Verso altre reti Stazione Radio Base (Gateway o Router)

50. Terminale Terminale Terminale Terminale Terminale Terminale Rete Wireless Autoconfigurante Verso altre reti (Gateway) Verso altre reti (Gateway)