RETI MOBILI E MULTIMEDIALI

1. Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Dipartimento INFOCOM RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Aldo Roveri Lezioni dell’ a.a. 2009-2010 1

2. INDICE PRIMA PARTE I. La rete di accesso a larga banda II. La rete di nuova generazione III. La segnalazione SIP Appendici della Prima Parte

3. I. LA RETE DI ACCESSO A LARGA BANDA Aldo Roveri, “RETI MOBILI E MULTIMEDIALI” Univ. di Roma “La Sapienza” - a.a. 2009-2010

4. CONTENUTI I.1 Processo evolutivo della rete di accesso I.2 La rete di accesso in rame I.3 La rete di accesso in fibra I.4 La rete di accesso wireless I.5 Le reti mobili cellulari

5. I. La rete di accesso a larga banda I.1 Processo evolutivo della rete di accesso

6. Generalità • La rete di accesso è la sezione di una rete di telecomunicazioni che collega gli apparati o, più in generale, la rete di utente con il più vicino nodo (stadio di linea) in grado di effettuare funzioni di trattamento ed erogazione del servizio. • Essa svolge quindi funzioni essenziali di raccolta e consolidamento del traffico di utente, presentandosi verso la rete (o le reti) di servizio attraverso interfacce ben definite.

7. Condizionamenti sullo sviluppo • Lo sviluppo della rete di accesso è funzione di condizionamenti di natura varia • geografici (caratteristiche orografiche e di urbanizzazione del territorio); • sociale (distribuzione e tipo della domanda); • regolatoria (tariffazione, privacy, norme sulla concorrenza, autorizzazione di Enti locali); • economica (sorgenti di costo: materiali, installazione, manutenzione, gestione; aspetti finanziari: investimenti, ammortamenti).

8. Evoluzione in atto (1/5) • Nelle soluzioni concepite nel passato (POTS, ISDN, GSM, infrastruttura radio-TV), ma tuttora operative, le funzioni svolte dalla rete di accesso sono di fatto limitate al trasporto da e per uno specifico nodo, mono- o multi-servizio, con integrazione delle funzioni della rete di accesso nel rispettivo nodo.

9. Evoluzione in atto (2/5) • Attualmente, già da alcuni anni, sotto la spinta della tecnologia e del mercato, c’è tendenza ad accentuare la separazione delle funzioni tra reti di accesso e relativi nodi. • In questa scelta si presenta la necessità di interconnetere le reti di accesso con i nodi di servizio; tale struttura di interconnessione è chiamata rete di raccordo (backhauling)

10. Evoluzione in atto (3/5) • I fattori trainanti dell’evoluzione sono la crescente domanda di nuovi servizi all’utente finale e la competizione tra nuovi e vecchi operatori. • Elementi caratterizzanti dell’evoluzione sono: • l’esigenza di una drastica riduzione dei costi di esercizio e di manutenzione, dato che la rete di accesso è ormai diventata la principale componente di investimento per un operatore di telecomunicazione; • l’estensione della rete di accesso, attraverso l’impiego delle fibre, anche per decine di chilometri, consentendo di centralizzare le funzioni di commutazione in pochi nodi di elevate dimensioni.

11. Evoluzione in atto (4/5) • Nelle svariate realizzazioni delle attuali reti di accesso, si assiste frequentemente all’impiego combinato di mezzi trasmissivi diversi in diverse porzioni della rete di accesso (soprattutto allo scopo di impiegare sempre la migliore tecnologia in ciascuna situazione) dando così origine ad una grande quantità di soluzioni ibride con caratteristiche loro proprie.

12. Evoluzione in atto (5/5) • I mezzi attualmente impiegati sono • la coppia simmetrica in rame (twistedpair - doppino telefonico); • la fibra ottica; • il canale radio. • Con i primi due mezzi si attua un accesso cablato, mentre con il terzo si parla di accesso wireless. • Nel seguito si considereranno dapprima accessi cablati (parr. I.2 e I.3) e successivamente quelli di tipo wireless

13. I. La rete di accesso a larga banda I.2 La rete di accesso in rame

14. Mezzi su doppino telefonico (1/5) • In ambito nazionale la rete di accesso in rame si suddivide in • rete primaria: dallo stadio di linea fino agli armadi di distribuzione; • rete secondaria: dagli armadi di distribuzione fino a casa dell’utente (box, distributore).

15. Mezzi su doppino telefonico (2/5) • Nella rete primaria sono posati cavi contenenti 1200 o 2400 coppie i quali si diramano, con struttura ad albero, verso gli armadi di distribuzione su cui si attestano cavi da 400 coppie; • in particolare su un armadio si possono attestare complessivamente 1200 coppie di cui 600 entranti dalla rete primaria e 600 uscenti verso la rete secondaria.

16. Mezzi su doppino telefonico (3/5) • I cavi che si attestano sugli armadi lato rete secondaria hanno modularità da 100 o 200 coppie; • questi cavi si diramano ad albero in cavi contenenti un numero sempre inferiore di coppie fino al distributore su cui si attestano tipicamente cavi da 10 a 50 coppie • Il distributore è l’elemento terminale della rete in cavo dedicata a più clienti; dal distributore si sviluppa la rete in cavetti (raccordi) per i singoli clienti.

17. Mezzi su doppino telefonico (4/5) • I tipi di distributori più utilizzati sono: • la cassetta di distribuzione (blocchetto da 10 coppie per aree a bassa concentrazione); • l’armadietto di distribuzione interno (blocchetto da 10 a 50 coppie per interni di edifici in ambito urbano); • la colonnina (blocchetto da 10 a 20 coppie per aree a bassa densità edile).

18. Mezzi su doppino telefonico (5/5) • Nella rete nazionale, il valore medio complessivo della lunghezza del collegamento dallo stadio di linea alla terminazione di utente è di 1,5 km, di cui 1,1 km della rete primaria e 0,4 della rete secon-daria; • nel 90% dei casi tale lunghezza non supera mai i 3 km.

19. La famiglia xDSL (1/2) • L’acronimo xDSL indica una famiglia di sistemi trasmissivi numerici supportati da coppie simmetriche: • le tre lettere DSL indicano la pertinenza del sistema all’equipaggiamento trasmissivo del legamento di utente (digitalsubscriberline); • la x assume una lettera (o una coppia di lettere) per ogni componente della famiglia; attualmente sono operativi i sistemi • ADSL (Asymmetrical DSL); • SHDSL (Symmetrical High data rate DSL); • VDSL (Very high bit rate DSL). • La larghezza di banda utilizzata è superiore a 1 MHz; ad es. nel caso ADSL tale banda è di 1,1 MHz.

20. La famiglia xDSL (2/2) • I principali parametri che condizionano le prestazioni dei sistemi xDSL (portata rispetto a capacità ottenibile) sono: • l’attenuazione della coppia; più in generale, la funzione di trasferimento (ampiezza e fase) della coppia; la distorsione aumenta particolarmente quando sono presenti derivazioni in parallelo; • le caratteristiche di diafonia del cavo all’interno del quale sono contenute le coppie interessate dalla trasmissione xDSL; • la presenza di disturbi impulsivi, che danno luogo a sequenze di errori contigui (burst).

21. Modulazione DMT • Il modem ADSL utilizza un modulatore DMT (Discrete Multi Tone), che è particolarmente indicato quando, come nel caso in questione, si hanno disturbi variabili sulla banda spettrale occupata dal sistema trasmissivo • La modulazione DMT rientra, con opportuna diversificazione, nella famiglia OFDM: il flusso digitale (che porta il segnale- dati) è ripartito in flussi paralleli (con velocità assai minore) che vanno a modulare in QAM, con un opportuno numero di livelli, un elevato numero di portanti (chiamate toni) nello spettro a disposizione; in un sistema ADSL il numero di portanti è uguale normalmente a 255 (28 – 1).

22. Vantaggi del DMT (1/2) • Vantaggi del DMT (Discrete MultiTone) • l’attenuazione su ciascuna sottobanda è praticamente costante e quindi non è necessario in ricezione l’impiego di equalizzatori di canale; • la capacità di trasmissione assegnata ad ogni canale è funzione delle caratteristiche di attenuazione e del livello di rumore del canale stesso.

23. Vantaggi del DMT (2/2)

24. Spettro con DMT

25. Realizzazione del modem DMT (1/2) • L’intera operazione del modulatore equivale ad effettuare una Trasformata Discreta di Fourier sul segnale sequenziale d’entrata; questo algoritmo è implementabile con un singolo DSP, da integrare in un unico chip accanto a tutte le altre funzioni digitali del trasmettitore e del ricevitore

26. Realizzazione del modem DMT (2/2) Σ

27. Ridistribuzione della capacità trasmissiva • Nel caso ADSL, la modulazione OFDM è stata migliorata adattando il numero di livelli impiegati per modulare i toni in QAM alle condizioni di disturbo si ciascuna sottobanda; la misura di queste condizioni è effettuata attraverso l’invio di segnali pilota. • La modulazione DMT provvede quindi automaticamente a ridistribuire in modo ottimale, la capacità di trasmissione del sistema sullo spettro disponibile

28. Il canale e i modem ADSL (1/3) • La separazione del canale “downstream” da quello “upstream” viene effettuata usando in alternativa • la tecnica FDM(Frequency Division Multiplexing), per cui i due sensi occupano bande di frequenza distinte; • la tecnica EC (Echo Cancellation), in cui il canale “up” si sovrappone a quello “down” e la separazione avviene tramite una cancellazione d'eco locale.

29. t e l e c o n t e g g i o D O W N S T R E A M 1 2 k H z L’ a l l o c a z i o n e è d i t i p o d i n a m i c o ( c o n u n a g r a n u l a r i t à d i b a n d a p a r i a 4 k H z ) e d è f u n z i o n e d e l l e c a r a t t e r i s t i c h e d i a t t e n u a z i o n e d e l c o l l e g a m e n t o e d e l l e c a r a t t e r i s t i c h e s p e t t r a l i d e i s e g n a l i i n t e r f e r e n t i . 2 6 1 1 0 4 f ( k H z ) P O T S 3 0 0 - 3 4 0 0 H z U P S T R E A M Il canale e i modem ADSL (2/3) Modem ADSL DMT di Categoria 1 (senza Cancellatore d’eco): allocazione spettrale

30. D O W N S T R E A M t i . 1 1 0 4 f ( k H z ) P O T S 2 6 3 0 0 - 3 4 0 0 H z U P S T R E A M Il canale e i modem ADSL (3/3) Modem ADSL DMT di Categoria 2 (con Cancellatore d’eco): allocazione spettrale T e l e c o n t e g g i o 1 2 k H z L’ a l l o c a z i o n e è d i t i p o d i n a m i c o ( c o u n a g r a n u l a r i tà d i b a n d a p a r i a 4 k H z ) e d è f u n z i o n e d e l l e c a r a t t e r i s t i c h e d i a t t e n u a z i o n e d e l c o l l e g a m e n t o e d e l l e c a r a t t e r i s t i c h e s p e t t r a l i d e i s e g n a l i i n t e r f e r e n

31. Varianti dei modem ADSL (1/3) • I sistemi ADSL offrono la possibilità di adattare la capacità dei flussi downstream e upstream, in due modi: • impostando, mediante il sistema di gestione, la capacità dei flussi downstream e upstream ad una delle velocità di funzionamento permesse (funzionalità multi-rate); • lasciando che il sistema scelga le velocità ottimali di funzionamento, entro limiti prefissati, in base alle caratteristiche del rilegamento di utente (rate adaptive ADSL).

32. Varianti dei modem ADSL (2/3) • I modem ADSL attuali includono sempre la funzionalità di autoadattamento della capacità, usata in pratica solo nella fase di inizializzazione del collegamento (training); • potrebbe essere usata per modificare la capacità allo scopo di mantenere dinamicamente il requisito di SNR, senza abbattere la connessione. • Una variante del modem ADSL può essere usata su linee ISDN; si ha solo una leggera diminuzione delle prestazioni in termini di banda, dovuta al fatto che è stato necessario eliminare toni per far posto al segnale ISDN in banda base.

33. Varianti dei modem ADSL (3/3) Spettro del segnale ADSL con POTS e ISDN

34. ADSL –Lite (1/2) • Per superare i problemi di costo connessi ai modem ADSL e di installazione dei relativi apparati, con lo scopo di accelerare l'introduzione sul mercato dell'ADSL, è nata la UADSL (Universal ADSL) o ADSL‑Lite o G.Lite per utenza residenziale e caratterizzata fondamentalmente da: • riduzione della banda downstream a 1.5 Mbit/s eliminando i toni sopra i 552 kHz; • autoinstallazione da parte dell'utente grazie all'eliminazione dello splitter d'ingresso ed alla possibilità di collegare il modem ADSL ad una qualsiasi presa telefonica; generalmente è richiesto l'inserimento di piccolissimi filtri (passa basso antidisturbo) tra le prese e gli apparecchi telefonici.

35. ADSL –Lite (2/2)

36. La famiglia attuale degli standard xDSL Famiglia Racc. ITU Nome Ratifica Capacità massima (Mbit/s) 7 down 0.8 up ADSL G.992.1 G.dmt 1999 8 down 1 up ADSL2 G.992.3 G.dmt.bis 2002 24 down 1 up ADSL2+ G.992.5 ADSL2plus 2003 8 down 1 up ADSL-RE G.992.3 Reach Extended 2003 5,6 up/down SHDSL G.991.2 G.SHDSL 2003 55 down 15 up VDSL G.993.1 Very-High-data-rate DSL 2004 55 down 30 up Very-High-data-rate DSL2 Long Reach VDSL2-LR G.993.2 2005 Very-High-data-rate DSL2 Short Reach VDSL-SR G.993.2 2005 100 up/down

37. A] B] C] D] E] Punto di Punto di distribuzione Punto di Terminazione Terminazione permutazione primaria diramazione di edificio di rete Borchia . Rete Commutata . SG/SL SG/SL POTS . PSTN / ISDN ISDN-BRA . . Cavo Cavo . . . Cavo Cavo . . Doppini Colonnina Chiostrina Armadio di Distribuzione . Colonnina Chiostrina Armadio di Permutatore Distribuzione 30-50 coppie Permutatore 100 coppie . 400 coppie 2400 coppie Splitter Rete a Larga Banda . PC . DSLAM ATU-R DSLAM . ATU-R (ATM / FR / IP) MultiMediale POTS ISDN-BRA Borchia Sistemi di rete per l’accesso (1/4) • ADSL sulla rete in rame

38. Sistemi di rete per l’accesso (2/4) • L’uso della tecnologia ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop) per l’accesso a Internet utilizzando la rete in rame richiede l’ introduzione: • nel punto topologico A], di un apparato, internazionalmente denominato DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer); • nel punto topologico E] (in sede di utente), di uno Splitter e di un terminale di rete attivo ATU‑R (ADSL Terminal Unit – Remote).

39. Edificio di centrale Sede d'utente Mondo NB Telefono POTS / ISDN Autocommutatore Autocommutatore PSTN / ISDN PSTN / ISDN Splitter Splitter Doppino in rame Modem Interfaccia PC Modem Multiplexer Da / a Nodo di Servizio BB Mondo BB ATU-R PC DSLAM Sistemi di rete per l’accesso (3/4) • Modello di riferimento ADSL

40. Sistemi di rete per l’accesso (4/4) • Riguardo alle funzioni principali di DSLAM e di ATU‑R: • entrambi contengono la funzione Modem che è preposta alla trasmissione dei flussi digitali ad alta velocità sul doppino telefonico; • il DSLAM provvede alla multiplazione dei flussi provenienti dai singoli utenti verso la rete di servizio a larga banda e viceversa; • l'ATU‑R provvede ad interfacciare il terminale d'utente (PC) tramite i diversi tipi di interfaccia oggi disponibili (ad es. USB, Ethernet 100 o 1000BaseT).

41. Modello per servizio Fast Internet (1/2) • Per gli utenti Fast Internet l'apparato NAS (Network Access Server), noto anche come BB‑RAN (Broad-Band Remote Access Node), provvede a realizzare essenzialmente le seguenti funzionalità: • instrada il traffico proveniente dagli utenti individuando l'ISP o la Corporate cui è destinato e viceversa; • concentra tale traffico su opportuni “pipe” instaurati verso gli ISP / Corporate; • effettua l'adattamento tra la rete di raccordo e la rete dorsale provvedendo alle opportune conversioni di protocollo; • esegue, insieme al sistema di Service Management, le funzioni AAA per delega o in cooperazione con gli ISP / Corporate rispettando quindi le relative responsabilità; • permette la costituzione di Reti Private Virtuali (VPN) adeguatamente protette.

42. Operatore di Rete Accesso Utente Service Providers AAA Service ATU-R Server Management ... Rete di Accesso Rete di Accesso DSLAM DSLAM in Rame in Rame ATU-R ATM-pipes Corporates NAS Rete . . . . . . . . . . . . Rete di Raccordo RAN Dorsale Rete di Raccolta (ATM / IP) (ATM / IP) IP-tunnels ISP’s / ATU-R ... Rete di Accesso Rete di Accesso in Rame HFC AAA ATU-R Server , , Modello per servizio Fast Internet (2/2) AAA = Authentication, Authorization, Accounting

43. I. La rete di accesso a larga banda • I.3 La rete di accesso in fibra

44. Vantaggi di un accesso in fibra • Alta capacità trasmissiva (fino a una decina di Tbit/s) • Bassa attenuazione (0,2 – 0,4 dB/km) • Totale immunità da disturbi elettromagnetici

45. Strutture implementabili (1/2) • In base alla topologia fisica implementabile tra il nodo di competenza e la borchia d’utente, le strutture di accesso con utilizzazione della fibra ottica si distinguono in: • FTTCab (FiberTo The Cabinet): fibra tra il nodo e l’armadio di distribuzione; • FTTB/C (FiberTo the Building/Curb): fibra fino all’edificio o al marciapiede; • FTTH (Fiberto The Home): fibra fino all’abitazione di utente.

46. Strutture implementabili (2/2)

47. Transizione rame - fibra • Gli attuali orientamenti degli Operatori, dei Regolatori e dei Manifatturieri sono verso soluzioni • FTTE / ADSL2+ • con adattamento al contesto nell’impiego di • FTTcab / VDSL2 • FTTB / VDSL2 • e con apertura, se non altro sperimentale, verso • FTTH.

48. AON e PON • Nelle reti attive (AON – ActiveOptical Network) sono usati apparati di multiplazione elettronici • Le reti passive (PON – Passive Optical Network) impiegano invece solo elementi passivi e si prestano alla realizzazione di strutture punto - multipunto

49. Rete attiva Remote Node con elementi elettronici attivi

50. Rete passiva