1

IC3N 2000 N. 1

Scenario evolutivo dellereti di telecomunicazioni

Prof. Franco Callegatihttp://deisnet.deis.unibo.it

IC3N 2000 N. 2

LE ORIGINI

2

deisNET N. 3

Punto di partenza: le comunicazioni umane

• Gli esseri umani comunicano attraverso i sensi• Particolarmente importanti nella nostra civiltà

– Vista (immagini)– Udito (suoni)

• Tecniche antichissime per migliorare l’efficaciadella comunicazione: codifica dell’informazione– Linguaggi– Scrittura– Alfabeti fonetici (doppia codifica)

deisNET N. 4

Limitazione di portata dei sensi

• La portata dei sensi è limitata– Nello spazio– Nel tempo

• Fin dall’antichità si sono studiate tecniche perestendere la portata dei sensi, fra cui– Scrittura– Posta– ….

• Telecomunicazioni: dal Greco τελε= lontano• Telegrafo: τελε + γραφεω (scrivo)

– Telegrafi ottici: molto antichi e vari

3

deisNET N. 5

Comunicazioni elettriche

• Molto attraenti perché sfruttano la propagazionedelle onde elettromagnetiche– Velocità di propagazione: circa 300.000 Km/s

• Prendono vita dai primi studi sull’elettrostatica equindi dall’invenzione della Pila– Invenzione della pila: Volta circa 1800

• Proposte di telegrafi basati prima su caricheelettrostatiche e poi sulla pila

• Telegrafo di Morse (1835)– Nascita delle telecomunicazioni moderne– Basato sull’elettromagnetismo– Alfabeto Morse (codifica digitale dell’informazione)

deisNET N. 6

Servizio telegrafico

• L’invenzione del telegrafo Morse da vita alservizio telegrafico che ha le caratteristiche di unservizio di telecomunicazioni moderno

• Elementi caratterizzanti– Utenti: potenzialmente tutte le persone– Fornitori del servizio, costruttori, gestori– Pagamento del servizio, tariffe– Necessità di una rete– Problemi di traffico, pianificazione

4

deisNET N. 7

La rete telegrafica

• Obiettivo: interconnettere gli utenti a due a due• Mezzi trasmissivi e tecniche di trasmissione

– Cavi in rame, trasmissioni punto-punto– Informazione codificata tecniche digitali– Velocità bassissime, bande strettissime (pochi Hz)

• Nodi della rete, commutazione– Commutazione di messaggio: store-and-forward– Centrali con operatori umani– Segnalazione, protocolli– Schema di indirizzi (derivato dal servizio postale)

deisNET N. 8

Osservazioni sulla rete telegrafica

• Tecniche numeriche imposte dalle limitazionitecnologiche

• Grandissimo successo economico– Telescrivente: Siemens 1846– Nasce la International Telecomm. Union (ITU) 1865– Rete mondiale: cavo transatlantico nel 1866– La Western Union che ha il monopolio del telegrafo

negli USA diviene la più grande compagnia privatadel 19° secolo

• Servizio di tipo affari (business)– Gli utenti sono uffici (uffici postali o grandi ditte)– Pochi punti di accesso e relativamente costosi

5

deisNET N. 9

Telefono

• Nome derivato da τελε + φοηεω (parlo)• Brevetto di Graham Bell nel 1876

– Brevettato il trasduttore: microfono+altoparlante– (Brevetto di Meucci del 1871 non omologato)

• Segnale analogico: trasmissione di suoni ed inparticolare voce

• I segnali analogici sono molto ricchi diinformazione ma essenzialmente più difficili datrasmettere

deisNET N. 10

La rete telefonica

• Obbiettivo: far parlare a due a due gli utenti• Mezzi trasmissivi e tecniche di trasmissione

– Trasmissione punto-punto interattiva– Uso dei doppini telefonici– Segnale analogico: si richiedono tipicamente 4 KHz

• Commutazione– Centrali telefoniche: commutazione di circuito– Dapprima operatori umani, poi centrali automatiche

(Strowger 1887)– Segnalazione– Piani di numerazione

6

deisNET N. 11

Osservazioni sulla rete telefonica

• Servizio domestico (home)– Terminali economici con grandissima diffusione

• All’inizio crescita lenta per le difficoltà legate all’uso delsegnale analogico– Dapprima solo servizio locale– Necessità dell’elettronica

• Il primo cavo transatlantico telefonico risale al 1957

• Potenzialità del telefono sottostimate dagli operatori delmondo telegrafico

• Dal 20° secolo diviene di gran lunga il servizio ditelecomunicazioni economicamente più importante– Circa un miliardo di terminali installati– Investimenti 100÷1000 maggiori rispetto al telegrafo

deisNET N. 12

Comunicazioni Radio

• Fondano le radici nei primi studi sulle ondeelettromagnetiche (Maxwell, Hertz, Popov,..)

• 1895– Esperimento di Marconi ed invenzione delle radio-

comunicazioni• Trasmissione transatlantica nel 1901• La possibilità di diffusione (broadcasting) a

grandi popolazioni di utenti consente servizioriginali– Sono possibili anche radio-trasmissioni punto-punto

• Tipicamente utilizzate quando la posa di cavi non risultafattibile o economicamente appetibile

7

deisNET N. 13

L’evoluzione della rete radio

• All’inizio viene usata per portare segnalitelegrafici (telegrafo senza fili)

• Applicazione ai mezzi mobili, in particolare navi(salvataggio passeggeri del Titanic 1912)

• In seguito ai progressi dell’elettronica diventanopossibili trasmissioni analogiche– Radiodiffusione (voce e musica)– Telediffusione (immagini e suoni)

• Problemi di propagazione, in particolare persuperare l’orizzonte terrestre

• Rete punto-multipunto con pochissimitrasmettitori e ricevitori illimitati

IC3N 2000 N. 14

EVOLUZIONE DELLA RETE DITELECOMUNICAZIONI

8

deisNET N. 15

Evoluzione dello scenario delle TLC

• Ieri (dalle origini agli anni ‘90)– Evoluzione pilotata dai tre principali servizi: telegrafo, telefono e

radio-telediffusione– Una rete separata dedicata a ciascun servizio

• Sono separati l’infrastruttura di rete, i terminali, la gestione

• Oggi– A partire da allora in questi anni si sono visti progressi

rivoluzionari

• Domani– Progressi ancora più sorprendenti sono previsti nel prossimo

futuro• Queste evoluzioni/rivoluzioni sono pilotate da

– progressi tecnologici (enabling technologies)– applicazioni trainanti (driving applications)

deisNET N. 16

Evoluzione dello scenario delle TLC (segue)

• Finora i progressi tecnologici hanno prodottoprofondo cambiamenti nella rete ma l’uso deiservizi è rimasto pressoché inalterato, questo èdestinato a cambiare negli scenari futuri

• I differenti servizi hanno prodotto reticompletamente separate con diversi terminali,mezzi trasmissivi e nodi di commutazione

• Fino a ieri il servizio telefonico è stato di granlunga quello più importante economicamente

9

deisNET N. 17

Progressi tecnologici

• I più importanti fattori di progresso per le reti ditelecomunicazioni sono stati– Progressi dell’elettronica– Nuovi mezzi trasmissivi– Tecniche numeriche– Ingresso dei calcolatori nella rete– Multimedialità

deisNET N. 18

Progressi dell’elettronica

• Le telecomunicazioni sono state la drivingapplication che ha fatto nascere l’elettronica,fornendo motivazioni ed investimenti– Triodo: Hartley 1904– Transistor: Shottky 1947– Hartley e Shottky lavoravano per un’importante

industria TLC (il Bell System)• Microelettronica

– Circuiti Integrati (IC): primi anni ’70– LSI (Large Scale Integration), VLSI (Very LSI), …– Ora oltre 1.000.000 di dispositivi per chip

10

deisNET N. 19

Progressi dell’elettronica (segue)

• Legge di Moore: il numero di dispositivi per chipraddoppia circa ogni 18 mesi, mentre il prezzoresta circa invariato

• Il costo di un IC è circa indipendente dalla suacomplessità ed è determinato dalla suadiffusione nel mercato

• Circolo virtuoso della microelettronica: quandouna tecnica ha successo e si diffonde, cresce ilmercato → calano i costi → cresce il mercato,..

• Questa enorme velocità di evoluzione rendedifficile fare previsioni sul futuro; ci sono moltoesempi di sottostime delle sue conseguenze

IC3N 2000 N. 20

Caratteristiche tipiche delle reti ditelecomunicazioni

11

deisNET N. 21

Caratteristiche comuni a tutte le reti

• Elementi di una rete– Terminali

• Fungono da interfaccia con l’utente finale e codificanol’informazione in modo consono ad essere trasferita in rete

– Collegamenti (link)• Trasferiscono l’informazione fra punti remoti nello spazio

– Nodi di commutazione• Reperiscono le risorse necessarie per trasferire

correttamente le informazioni tramite i collegamenti esistenti

• La rete di telecomunicazioni è un sistema chepermette lo scambio di informazioni fra terminalidistanti fra loro

deisNET N. 22

Collegamenti

• Punto-punto– In ogni collegamento un nodo è collegato con un

singolo nodo• Punto-multipunto

– Un nodo può comunicare con tanti altri– Broadcast

• Un nodo trasmette allo stesso tempo a tutti i nodi della rete

– Multicast• Un nodo trasmette allo stesso tempo ad un sottoinsieme dei

nodi della rete

12

deisNET N. 23

Topologie di rete

• Descrizione geometrica di una rete• Rami (archi)

– Linee di collegamento fra due nodi della rete• Nodi

– Punti che si trovano agli estremi dei collegamenti• La rete è descrivibile tramite un grafo

deisNET N. 24

Maglia completa e stella

• Un collegamento per ognicoppia di nodi

• N nodi implicano N(N-1)/2collegamenti– Grande resistenza ai guasti– Complessità e costo

• N collegamenti• Centro stella (attivo o

passivo) deve smistare leinformazioni– Minor costo– Minore resistenza ai guasti

13

deisNET N. 25

Anello e bus

• Anello– Anelli monodirezionali

• Se un collegamento siinterrompe la rete si guasta

– Anelli bidirezionali• Maggiore complessità per

maggiore resistenza ai guasti

• Bus– Attivo o passivo– Tipicamente semplice

ed economico– Poco resistente ai guasti

Bus bidirezionale

deisNET N. 26

Rete gerarchica• Organizzata su più livelli

– Terminali connessi ai nodi periferici– Nodi periferici connessi tramite nodi intermedi– Interconnessione a lunga distanza con nodi di transito tipicamente

interconnessi a maglia completa

14

deisNET N. 27

Funzioni di rete

• Trasmissione– trasferimento fisico del segnale da punto a punto o da un punto

a molti punti

• Commutazione– Creazione ed abbattimento delle connessioni fra i punti terminali

per soddisfare le richieste degli utenti.

• Segnalazione– scambio di informazioni fra utente e rete oppure internamente

alla rete necessario per la gestione della comunicazione e dellarete stessa.

• Gestione– tutto ciò che concerne il mantenimento delle funzioni della rete;

riconfigurazione di fronti a guasti o cambiamenti strutturali,allacciamento di nuovi utenti ecc.

deisNET N. 28

Rete di accesso e Rete di transito

Centrale diaccesso

Centrale ditransito

Rete di accesso

Rete di transito

Terminaledi utente

15

deisNET N. 29

Multiplazione

• Condivisione del canale di collegamento fradiversi flussi di informazione

• Si può realizzare utilizzando– Tempo– Frequenza– Codice– Spazio

• Dal punto di vista teorico ed in condizioni idealiqueste modalità sono equivalenti– Differiscono per modalità di implementazione– La tecnologia di implementazione rende più o meno

conveniente una soluzione rispetto alle altre

deisNET N. 30

Esempi (1)

• FDM– Frequency Division

Multiplexing

• TDM– Time Division Multiplexing

f

t

f

t

Flusso di informazioniFlusso di informazioniFlusso di informazioniFlusso di informazioni

16

deisNET N. 31

Esempi (2)

• Divisione di codice • Divisione di spazio

f

t

c

deisNET N. 32

Tecniche di commutazione

• Esistono numerose tecniche per realizzare lafunzione di commutazione

• Le due tecniche tradizionalmente utilizzate etuttora più diffuse sono– Commutazione di circuito (rete telefonica)– Commutazione di messaggio (rete telegrafica) o di

pacchetto (reti di calcolatori)• Di recente sono state proposte svariate altre

tecniche che combinano caratteristiche dell’unae dell’altra

17

IC3N 2000 N. 33

MEZZI TRASMISSIVI

deisNET N. 34

Mezzi trasmissivi: linee in rame

• Attenuazione: cresce esponenzialmente con lalunghezza:

AdB ∼ sqrt(f) * L

• Problema della diafonia (cross-talk)• Coppie in rame

– All’inizio della telegrafia conduttori con un solo filo– Linee aeree bifilari– Coppie avvitate (twisted pairs) da posare in cavi– Attenuazione e diafonia relativamente elevate

18

deisNET N. 35

Linee in rame: cavi coassiali

Due conduttori cilindrici coassiali– D = diametro cavità conduttore esterno– d = diametro conduttore interno

D d

da Tanenbaum

deisNET N. 36

Linee in rame: cavi coassiali

• Il rapporto dei diametri determina l’Impedenzacaratteristica Z0– per le telecomunicazioni Z0 = 75 Ω

• Normalizzazione– Cavo coassiale normalizzato

d = 2.6 mm D = 9.5 mm A1 MHz = 2.35 dB/Km– Minicoassiale

d = 1.2 mm D = 4.4 mm A1 MHz = 5.30 dB/Km– Microcoassiale

d = 0.7 mm D = 2.9 mm A1 MHz = 9.50 dB/Km

• Il conduttore esterno scherma la diafonia• Quanto maggiore è D, tanto maggiore è il costo e tanto

migliori sono le prestazioni

19

deisNET N. 37

Utilizzo nella rete dei cavi coassiali

• I cavi coassiali possono trasportare bandemaggiori rispetto alle linee bifilari

• 4 KHz = banda lorda del canale telefonico• Multiplazione a divisione di frequenza (FDM)

– Necessaria per utilizzare al meglio mezzi trasmissivi alarga banda (come il cavo coassiale)

• Gerarchia FDM (standard ITU)– Gruppo primario: banda 48 KHz, 12 canali– …– Sistema a 4 MHz 960 canali– Sistema a 12 MHz 2.700 canali– Sistema a 60 MHz 10.800 canali

deisNET N. 38

Mezzi trasmissivi: fibre ottiche (OF)

• Guide d’onda dielettriche: sfruttano la rifrazione totaledella luce al passaggio fra uno strato interno (core) euno esterno (cladding)– Propagazione multimodo (core di circa 50 µm)– Propagazione monomodo (core di circa 5 µm)

• Le fibre più comuni sono di biossido di silicio SiO2 epresentano tre finestre– Prima finestra λ ~ 0.85 µm– Seconda finestra λ ~ 1.30 µm– Terza finestra λ ~ 1.55 µm

• L’attenuazione in una finestra è circa costante; vi sipossono allocare alcune migliaia di canali con alcunedecine di GHz di banda ciascuno

20

deisNET N. 39

Transmission of Light through Fiber

Attenuation of light through a silicon fiber in theinfrared region.

da Tanenbaum

deisNET N. 40

Fibre ottiche (segue)

• Prime applicazioni delle OF a negli anni ’70– Propagazione multimodo in prima finestra– Attenuazione A ≅ 2÷1 dB/Km

• Sistemi in OF attuali– Propagazione monomodo in terza finestra– A ≅ 0.2 dB/Km (limite teorico in SiO2: A = 0.16 dB/Km)– Possibilità di amplificazione ottica con drogaggio

all’Erbio e aggiunta di potenza ottica: passo diamplificazione oltre 1000 Km

• Ricerche su altri tipi di vetro (con cloro, fluoro,zirconio, ..) per ottenere A < 0.01 dB/Km

21

deisNET N. 41

Fibre ottiche (segue)

• Diafonia completamente assente• Costo del cavo bassissimo

– Ancora parzialmente mascherato dal costo deigeneratori, LED (più economici) o Laser (più costosi),e dei rivelatori

• Paradosso delle OF: le OF hanno prestazioni digran lunga migliori dei cavi in rame, in termini diattenuazione, banda e immunità ai disturbi, mahanno minori costi

• Le OF hanno enormi capacità (~infinite): questopuò suggerire soluzioni di rete originali

deisNET N. 42

Mezzi trasmissivi: radio comunicazioni

• Mezzo naturalmente broadcast– Vantaggioso per i servizi diffusivi– Problema della condivisione dello spettro

• Le onde elettromagn. si propagano in linea retta– Sotto i 3 MHz: visibilità diretta o onda di terra– Fra 3 e 30 MHz: propagazione ionosferica– Sopra i 30 MHz: solo visibilità diretta (ponti radio)

• Attenuazione nei radiocollegamenti– Cresce con la distanza con legge polinomiale– Cresce con il quadrato della frequenza– Le antenne diventano più efficienti quando la

frequenza cresce

22

deisNET N. 43

Radiocomunicazioni via satellite• Primo satellite artificiale: Sputnik 1957• Satelliti per TLC: serie Intelsat dagli anni ’60

– Satelliti in orbita geostazionaria (GEO = Geostationary EarthOrbit) a circa 36 000 Km di altezza

• Di recente si usano anche altre orbite– MEO: Medium-Earth Orbit (10000÷15000 Km di altezza)– LEO: Low-Earth Orbit (<5000 Km di altezza)

• Dapprima satelliti molto semplici e stazioni a terra moltosofisticate e costose– Collegamenti televisivi transatlantici e mondovisione– Teleporti

• Ora satelliti sofisticati con grande potenza intrasmissione: la stazione a terra può diventare moltoeconomica– Global Position System (GPS)– Diffusione diretta da satellite (DBS)

deisNET N. 44

Osservazioni sulle reti radio

• I ponti radio ed i satelliti sono il modo piùeconomico e veloce per distribuire servizi ditelecomunicazione in territori vasti e pocodensamente popolati

• Il mezzo di propagazione radio è condiviso: cisono forti problemi di banda, si può utilizzaresolo un numero limitato di canali

• Il mezzo radio è vulnerabile ai disturbi– Molti collegamenti presentano una probabilità di fuori

servizio– Possibili sabotaggi

23

deisNET N. 45

Radiocomunicazioni: sistemi cellulari

• Nuovo modo di usare i radiocollegamenti: la potenzatrasmessa è piccola, pertanto l’interferenza è limitata aduna cella

• Le frequenze possono essere riusate in altre celle nonimmediatamente adiacenti– Gruppi di celle (cell clusters)– Con un centinaio di canali si può servire una quantità illimitata di

utenti

• Sono necessari terminali molto sofisticati– Selezione del canale e segnalazione– Hand-over– Roaming

deisNET N. 46

Sistemi cellulari (segue)

• Principale applicazione: telefonia mobile• Sistemi pionieristici a 150 e 450 MHz• Sistema ETACS a 900 MHz, diffuso in alcuni

paesi europei– Sistema analogico– Copertura nazionale

• Global System Mobile (GSM): sistemainternazionale Europeo– Sistema digitale– Adottato in molte parti del mondo (India, Australia,..)

24

deisNET N. 47

Sistemi cellulari (segue)

• Sono allo studio i cosiddetti sistemi di IIIgenerazione– Ricerca di un sistema unico mondiale– Capacità offerte ∼100 Kbit/s per utenti in rapido

movimento, ∼2 Mbit/s per utenti fermi– Terminali con capacità multimediali

• Proposta Europea: Universal Mobile Telecomm.System (UMTS)

deisNET N. 48

Sistemi cellulari (segue)

• Enorme diffusione: in Italia il numero di abbonatiha superato quello della telefonia fissa

• Il traffico telefonico da fisso a fisso diventapercentualmente sempre meno importante

• Con i sistemi cellulari digitali e quelli di IIIgenerazione sono possibili altri servizi– Scambio di messaggi (SMS, MMS)– Accesso a Internet– Servizi multimediali

25

IC3N 2000 N. 49

INTRODUZIONE DELLE TECNICHEDIGITALI

deisNET N. 50

Tecniche digitali, numerizzazione

• Le telecomunicazioni iniziano con trasmissionidigitali a bassa velocità (rete telegrafica) acausa delle limitazioni tecnologiche

• L’elettronica allo stato solido rende oraconvenienti le trasmissioni digitali ad alta velocità

• I segnali analogici possono essere convertiti indigitali (conversione A/D) e riconvertiti(conversione D/A): teorema di Shannon

• Sistemi PCM (Pulse Code Modulation)– Voce con 4 KHz di banda lorda → canale a 64 Kbit/s– Multiplazione a divisione di tempo (TDM)– Problemi di sincronismi: sistemi sincroni o plesiocroni

26

deisNET N. 51

Problematica del sincronismo di rete• Le trasmissioni digitali prevedono l’invio di un flusso di

bit ad una velocità (bit rate) determinata da un oscillatorelocale

• Problema fondamentale: un oscillatore progettato perfunzionare ad una velocità nominale in pratica presentaun errore aleatorio e variabile nel tempo che al più puòessere contenuto all’interno di una tolleranza

• Sono possibili due scenari– Reti plesiocrone: gli oscillatori posti su nodi distinti sono

indipendenti, e forniscono velocità leggermente diverse– Reti sincrone: viene distribuito un sincronismo di rete a cui

vengono asserviti tutti gli oscillatori di tutti i nodi; le velocitàgenerate sono pertanto eguali a meno del rumore

deisNET N. 52

Gerarchie del Sistema plesiocrono

Europa

2.048 Mbit/s (E1)8.448 Mbit/s

34.368 Mbit/s (E3)139,264 Mbit/s564.992 Mbit/s

USA

1.544 Mbit/s (T1)6.312 Mbit/s

44.736 Mbit/s (T3)274.176 Mbit/s

GIAPPONE

1.544 Mbit/s6.312 Mbit/s

32.064 Mbit/s97.728 Mbit/s

27

deisNET N. 53

Multiplazione nel sistema PlesiocronoEsempio di multiplatore da 1° a 2° livello della gerarchia

europea

• I 4 tributari sono a velocità leggermente diverse e variabili• Nella linea di uscita ogni tributario ha a disposizione uno spazio che

può variare da 2.0422 a 2.0522 Mbit/s; gli eventuali vuoti in questospazio sono riempiti dai bit di giustificazione, che possono essereindividuati ed eliminati in ricezione– Deve essere: velocità di uscita > 4 X velocità di ingresso– Difficoltà di aggiunta/estrazione di canali in un segnale multiplex– L’eliminazione dei bit di giustificazione provoca variazioni aleatorie nella

velocità dei bit (fenomeno del jiitter)

Tributari a2,048 Mbit/s

Linea di uscita a 8.448 Mbit/s

deisNET N. 54

Reti sincrone• Per evitare gli inconvenienti delle reti plesiocrone si può

implementare una rete sincrona; occorre– Un centro che genera il sincronismo, in prospettiva unico nel

mondo, e lo distribuisce con apposite strategie a tutti i nodimediante appositi canali

– Dei meccanismi di recupero per permettere ala rete difunzionare in caso di caduta del centro stesso o dei collegamenticol centro

• La architettura sopra detta è molto costosa e non fucostruita quando furono introdotte le trasmissioninumeriche, che sono state esclusivamente plesiocronefino agli anni ’90

• Al momento dell’introduzione dei sistemi in fibra ottica sidecise che conveniva passare alla rete sincrona ed èstata standardizzata la cosiddetta Synchonous DigitalHyerarchy (SDH)

28

deisNET N. 55

Tecniche numeriche (segue)

• Per le trasmissioni in fibra ottica è stataintrodotta una rete sincrona

• SONET = Synchronous Optical NETwork:sviluppata negli USA, a 51.84 Mbit/s

• Standard internazionale: SDH = SynchronousDigital Hyerarchy– STM-1 155.52 Mbit/s (= 3 X 51.84)– STM-4 622.08 Mbit/s (= 4 X 155.52)– STM-16 2488.32 Mbit/s (=4 X 622.08)

• SDH unifica le gerarchie dell’Europa, USA eGiappone

deisNET N. 56

Tecniche numeriche (segue)

• Nella gerarchia PCM possono essere inseritisegnali diversi (dati, musica, immagini,..)

• La rete di trasmissioni diventa gradualmenteinteramente digitale

• Motivazione fondamentale della numerizzazione:i circuiti digitali sono più adatti per essererealizzati con circuiti integrati, mentre gli ICanalogici sono difficilmente realizzabili

• I sistemi digitali beneficiano del Circolo Virtuosodella Microelettronica.

29

deisNET N. 57

Tecniche numeriche nella commutazione

• Primi sistemi (centralini): manuali• Centrali telefoniche automatiche: era

elettromeccanica– Selettori Strowger a sollevamento e rotazione– Selettori a motore (Ericsson)– Centrali a barre incrociate (cross bar)

• Era elettronica– A partire dalla metà degli anni ’70– Basate su matrici di connessione a divisione di tempo

• Tutta la rete diventa digitale: fase IDN(Integrated Digital Network)

deisNET N. 58

Tecniche numeriche: la ISDN

• Concetto della ISDN (Integrated Service DigitalNetwork): richiede– Una rete IDN– Interfacce standard unificate– Un unico accesso per l’utente a tutti i servizi

(integrazione dei servizi)• La transizione verso la ISDN comincia nella

seconda metà degli anni ’80 ed è tutt’ora incorso (con diverse velocità nei diversi paesi)

• Motivazioni della ISDN– L’integrazione dei servizi consente molti risparmi– Diventano possibili molti nuovi servizi basati sui

calcolatori (Telematica)

30

IC3N 2000 N. 59

INGRESSO DEI CALCOLATORI NELLARETE DI TELECOMUNICAZIONI

deisNET N. 60

Nascita dell’Informatica

• Gli studi pionieristici sui calcolatori inizianonell’800, ma solo con l’elettronica allo statosolido diventano praticamente utilizzabili: nascitadell’Informatica (Computer science)

• Anni ’60: periodo pionieristico• Anni ’70: era dei grandi centri di calcolo• Anni ’80: minicalcolatori e workstations• Anni ’90: personal computers (PC)

– Informatica distribuita

31

deisNET N. 61

Calcolatori nella rete (segue)

• Per la rete di telecomunicazioni i calcolatorisono estremamente importanti, sia comeapparati di rete sia come utenti della rete

• Apparati di rete– Nei nodi di commutazione si fa largo uso di

calcolatori, una centrale di commutazione elettronicastessa può essere vista come un grande calcolatorespecializzato

– I terminali di utente della ISDN sono calcolatori• Utenti della rete

– Per la rete i calcolatori rappresentano un nuovo tipodi utente, già digitale per sua natura

deisNET N. 62

Calcolatori come utenti della rete

• Anni ’60: i calcolatori si connettono ai loroapparati terminali, non è necessaria la rete

• Anni ’70: connessione fra gli Host dei centri dicalcolo ed i terminali remoti– Trasmissione dati– Rete telefonica + modems

• Anni ’80: reti di Host– Architetture di rete– Reti in area locale (LAN)

• Anni ’90: tutti i computer richiedono di potersicollegare a due a due– Si richiede una rete di calcolatori universale (Internet)

32

deisNET N. 63

Rete di calcolatori

• Per far comunicare i calcolatori occorronoprotocolli

• Lo sviluppo dei protocolli per una rete dicalcolatori è un compito molto complesso: iprotocolli vengono organizzati in una architettura

• Per avere una rete di calcolatori universaleoccorrono– Uno schema di indirizzi universale– Un protocollo unico di interconnessione di reti (IP)– Interfacce standard fra i programmi applicativi dei

calcolatori e la rete (interfaccia di Trasporto)

deisNET N. 64

Reti di calcolatori: il Progetto OSI

• La ISO (International Standard Organization) hapromosso nel 1976 un programma per lo sviluppo di unarete universale– Progetto OSI: Open System Interconnection– Sviluppo di un Modello di Riferimento: OSI RM (Reference

Model)– Il modello OSI è a strati: individuati 7 strati

• Il modello di riferimento a strati proposto da OSI èuniversalmente adottato: in questo ha avuto successo

• L’OSI ha proposto anche uno schema di indirizzi, unprotocollo IP e una interfaccia di trasporto: questi nonsono stati adottati, e in questo l’OSI ha fallito

33

deisNET N. 65

Rete di calcolatori: l’Internet

• La ARPA (Advanced Research Project Agency)del DoD (Department of Defense) americanonegli anni ’60 lanciò un progetto per collegare icomputer dei centri di ricerca e degli entigovernativi degli USA

• Nel 1969 ARPANET cominciò a funzionarecollegando 4 università dell’ovest– commutazione di pacchetto (packet switching),

evoluzione della comm. di messaggio• Puro datagram: ogni pacchetto è indipendente dagli altri• Rete best effort: non c’è garanzia sulla qualità di servizio

– Adotta il TCP/IP nel 1983 (standard di Unix)– Crescita rapidissima

deisNET N. 66

Calcolatori nella rete: telematica

• Dal punto di vista dei servizi la sinergia fra rete ecalcolatori offre una infinità di nuove possibilità(servizi Telematici)– Enormi potenzialità– Necessità di adeguata promozione– Molti esperimenti, con successi e insuccessi

• L’Internet è la sorgente moderna dei servizitelematici: posta elettronica, interazione con basidati (WWW), diffusione di svariati tipi diinformazioni mutimediali, transaction processing,e-commerce, e-publishing, telelavoro, ecc…

34

deisNET N. 67

L’Internet

• Alcuni cambi di gestione: a metà degli anni ’80ARPANET diventa NSFNET (National ScienceFoundation NETwork)– Crescita esponenziale: raddoppio ogni anno– Connessione con reti di ricerca di altri paesi

• Si comincia a parlare di internet e poi di Internet:la Internet Society fondata nel 1992

• Nel 1994 apre alle organizzazioni commerciali;in pochi anni il traffico commerciale diventa digran lunga predominante

• Internet è una collezione di reti interconnesse, inparticolare LAN

IC3N 2000 N. 68

MULTIMEDIALITA’

35

deisNET N. 69

Servizi multimediali

• Nuovi servizi telematici spesso multimediali,coinvolgendo testi e/o audio e/o immagini

• Trasmissione di voce– Standard PCM: canale a 64 Kbit/s– Compressione– Pacchettizzazione della voce, Internet telephony

• Musica– Standard per i CD: monofonia 705.6 Kbit/s,

stereofonia 1411 Kbit/s– Interfaccia MIDI (Music Instrument Digital Interface)

deisNET N. 70

Servizi multimediali: il video

• Televisione analogica– Standard Europeo 5 Mhz, standard USA 4 Mhz– La HD TV (High Definition TV) richiede una banda

4÷5 volte maggiore della standard• Televisione digitale

– Senza compressione: circa 100 Mbit/s– MPEG-2 sistema di compressione molto efficiente:

circa 4 canali MPEG-2 possono essere trasmessinella banda di un canale analogico

– Con una rete di distribuzione opportuna sono possibilinuovi servizi

• Televisione interattiva• Video on demand

36

IC3N 2000 N. 71

EVOLUZIONE DEGLI SCENARI DI RETE

deisNET N. 72

Scenari di rete

• Le caratteristiche e l’evoluzione della rete TLChanno determinato uno scenario valido fino agliinizi degli anni ’90 (scenario di ieri o scenariotradizionale)– Caratteristiche della rete– Caratteristiche della gestione– Caratteristiche del mercato– Caratteristiche dell’industria

• Lo scenario si modifica profondamente a partiredagli anni ’90; il processo è ancora in atto e isuoi effetti sono in parte imprevedibili (scenariodi oggi/domani)

37

deisNET N. 73

Scenario di ieri (tradizionale): la rete

• Evoluzione da reti separate per telegrafo,telefono e radio/telediffusione verso una reteunica ISDN

• Finora il telefono è stato il servizio di gran lungapiù importante economicamente, pertanto laISDN di prima generazione è una evoluzionedella rete telefonica

• Enormi investimenti in infrastrutture: ordine digrandezza diverse migliaia di miliardi di dollari

• Nei paesi industrializzati la rete di accessotelefonica (last mile) rappresenta circa il 30%dell’investimento totale

deisNET N. 74

Scenario di ieri: i gestori• I gestori del telegrafo sono tradizionalmente quelli della

posta ordinaria, di solito un Ministero• Spesso il telefono è stato associato col telegrafo in un

Ministero delle TLC (o Poste e TLC); (alcuni paesi fannoeccezione fra cui gli USA)

• I Ministeri ed i loro concessionari operano in un mercatoregolato da leggi protezionistiche (regulations) in cuisono gli unici compratori (monopsomio)

• Progressiva deregulation da metà anni ’80– Liberalizzazione dei servizi– Introduzione della pluralità dei gestori– Privatizzazione dei gestori

• I nuovi operatori hanno la stessa importanza economicadei vecchi– Federazione di reti

38

deisNET N. 75

Situazione Italiana dagli anni ’50 ai ‘90I PRINCIPALI ATTORI• Ministero delle Poste e Telecomunicazioni: ha competenza su tutti i

servizi TLC e gestisce– Servizio Postale– Servizi Telegrafici– Servizi Radioelettrici– Azienda di Stato per il Servizio Telefonico (ASST)

• Istituto per la Ricostruzione Industriale (IRI): gestisce lepartecipazioni statali; in particolare attraverso la capofila STETcontrolla industrie e gestori delle TLC fra cui– SIP– Italcable– Telespazio– Italtel– Sirti– Selenia– …

deisNET N. 76

Segue situazione italiana dai ’50 ai ‘90

• I gestori della telefonia sono– Per l’interfaccia con l’utente, il traffico locale e le

interurbane a breve distanza: SIP– Per le interurbane a grande distanza e le

internazionali continentali: ASST– Per le intercontinentali: Italcable– Per le tratte intercontinentali via satellite: Telespazio

• Per i servizi di trasmissione dati– Dopo una competizione fra Servizi Telegrafici, ASST

e SIP e questo servizio viene attribuito a SIP

39

deisNET N. 77

Sviluppi della situazione negli anni ‘90

• La ASST viene trasformata in una azienda IRI controllatada STET (col nome di Iritel)

• Dopo un anno viene creato un unico gestore col nome diTelecom Italia che ingloba SIP, Iritel, Italcable,Telespazio e piccole aziende di servizi, ancora sotto ilcontrollo STET

• La STET viene poi smembrata e Telecom Italia vieneprivatizzata

• Intanto la deregulation ha fatto sorgere una pluralità digestori; ci sono varie leggi e direttive Europee checercano di imporre una “par condicio” nella concorrenzafra i gestori, senza molto successo perché Telecom èl’unico fra questi che possiede una rete di accesso

deisNET N. 78

Situazione negli altri paesi industrializzati

• In Europa di solito i Ministeri hanno gestito inregime di monopolio la rete– Ora stanno marciando a diverse velocità verso

deregulation e privatizzazione• In USA la più grande compagnia privata di TLC,

il Bell System o At&T, fungeva anche dagestore, protetta da regulations– Il governo si limitava ad una funzione di sorveglianza

sui prezzi e sulla qualità del servizio offerto– Nel 1984 (presidente Ronald Reagan) è stata

introdotta la deregulation e AT&T è stata smembrata• AT&T Long Lines per traffico a grande distanza• 23 Bell Operatig Companies (BOC) per il traffico locale,

raggruppate in 7 Regional BOC

40

deisNET N. 79

Il mercato delle Telecomunicazioni

• Nello scenario tradizionale il mercato delletelecomunicazioni era dominato dal telefono cheassorbiva più del 90% degli investimenti

• La bontà del mercato dipendeva pertanto dallosviluppo dell’utenza telefonica

• Come misura della penetrazione del telefono sipuò assumere la Densità telefonica D = numeroabbonati / numero abitanti (oppure anchenumero apparecchi installati / numero abitanti)

deisNET N. 80

Sviluppo dell’utenza telefonica• L’utenza telefonica, come diverse altre utenze si è sviluppata

secondo la caratteristica curva a S

• Nella fase esponenziale il mercato è molto buono• Il valore limite non è ancora stato raggiunto in nessun paese del

mondo• La densità limite sembra essere intorno a 2 telefoni/abitante

00 tempo

Den

sita

'

Valore limite

Fase esponenziale

Fase di saturazione

Fase pionieristica

41

deisNET N. 81

Influenza delle telecomunicazioni sull’economia

• C’è una correlazione (circa una proporzionalità)fra la densità telefonica D ed il Prodotto internoLordo (PIL) di un paese

• Un paese non può avere un buono sviluppoeconomico senza una rete di telecomunicazionievoluta

• Grandissime differenze fra i vari paesi nelladensità D in relazione al diverso tasso di sviluppo

• Stanno ora emergendo nuovi servizi, inparticolare i servizi radiomobili e i serviziInternet, che hanno grande influenza sul PIL

deisNET N. 82

La ICT

• Ormai il mercato delle telecomunicazioni è inscindibileda quello dell’informatica; si parla di:– Società dell’informazione– e di ICT = Information & Communication Technology

• Possibile definizione di ICT: convergenza delle quattro C– Communication– Computer– Consumer– Contents

• Quando si parla del mercato della ICT, tradizionalmentesi include Computer e Communication, compresa lacomponentistica, mentre si esclude Contents eConsumer

42

deisNET N. 83

Mercato mondiale della ICT

• Mercato in Miliardi di Dollari

2234600237Totale ICT

89630074Tot. Informatica56717032Informatica - Sw32913042Informatica - Hw

1338300163Totale TLC

1063200123TLC – servizi27510040TLC - apparati

Anno 2002Anno 1988Anno 1978

deisNET N. 84

Mercato della ICT (segue)• Mercato Europa ≅ 30% Mercato mondiale• Mercato Italia ≅ 10% Mercato Europa

(≅ 3% Mercato mondiale)• Osservazioni

– La percentuale del mercato ICT rispetto al PIL è moltoaumentata: nel 1988 era intorno al 3%, nel 2002 è 7%

– L’ITC è diventato il componente del PIL con peso maggiore: nel1988 l’ordine era 1. Petrolio, 2. Auto,3. ICT, nel 2002 è 1. ICT, 2. Petrolio, 3. Auto

– I servizi ed il software acquistano un peso relativo sempremaggiore; se definiamoR = (servizi+software)/(apparati+hardware)si ha nel 1988 R = 1.2, nel 2002 R = 2.7

43

deisNET N. 85

L’industria nello scenario di ieri

• Le industrie devo fare enormi investimenti in ricerca esviluppo: possono sopravvivere solo poche grandiindustrie multinazionali

• Nei paesi industrializzati i Ministeri hanno protettol’industria nazionale: la concorrenza si ha solo nelleesportazioni verso paesi emergenti

• Il monopsomio impone all’industria di fare accordi con ilgestore monopolista prima di fare i grandi programmi diinvestimenti

• Mercato piuttosto rigido: i nuovi sistemi devonointeroperare coi vecchi → progresso rallentato

• La telematica introduce nuovi gestori e costruttori piccolie grandi, in forte concorrenza e rapida evoluzione

IC3N 2000 N. 86

Scenari di oggi/domani

44

deisNET N. 87

Scenari di oggi/domani

• La rete deve evolvere verso una rete a bandasostanzialmente più larga detta BISDN

• Si può prevedere che nei diversi paesil’evoluzione possa percorrere strade diverse: sipossono delineare tre tipi di scenari– scenario BISDN driven– scenario Internet driven– scenario Mobile driven

deisNET N. 88

La rete BISDN• BISDN (Broadband ISDN): evoluzione naturale della

ISDN (ISDN di seconda generazione)• La ISDN si propone di unificare tutti i servizi, ma in

pratica quando furono definiti gli standard si scelse di farriferimento alla rete di accesso esistente (coppietelefoniche). I servizi video restavano esclusi e dovevanodunque ancora usare una rete separata

• Ad esempio per gli utenti home è stato standardizzatol’Accesso base (Basic Rate Access) che fornisce duecanali a 64 Kbit/s + un canale a 16 Kbit/sec per lasegnalazione

• Obbiettivo della BISDN: un’unica rete per fornire ogniservizio (presente e futuro) con la qualità richiesta– Servizi multimediali– Richieste di banda molto variabili, da kbit/s a centinaia di Mbit/s– Servizi interattivi e real time

45

deisNET N. 89

Rete BISDN (segue)• Occorre progettare e implementare

– Una rete di accesso a larga banda– Una rete di trasporto con autostrade ad altissima capacità

(almeno Tbit/s)– Nodi di commutazione ad altissima capacità

• I suddetti problemi potrebbero essere considerati inmodo unificato: nasce la teoria dei Modi di trasferimento

• Soluzione per la BISDN: si propone una nuova tecnicadetta ATM (Asynchronous Transfer Mode) che combina ivantaggi della commutazione di circuito (interattività) e dipacchetto (flessibilità)

• Nelle reti ATM– L’informazione è frammentata in piccoli pacchetti chiamati celle

che viaggiano in modo indipendente (in modo asincrono)attraverso la rete

– È relativamente facile costruire nodi a larga banda– Si richiede una segnalazione piuttosto complicata

deisNET N. 90

Scenario BISDN driven

• La rete evolve verso una rete unificata ATM– Tutti i servizi trasportati in forma di celle ATM– Tutti i terminali devono avere interfacce ATM– ATM propone uno schema di indirizzi e una tecnica di

interconnessione– Le applicazioni devono avere interfacce dirette ATM

• Questa trasformazione , che richiede enormiinvestimenti, deve essere pilotata da grandi gestori checontrollano tutta la rete– Tutti gli altri servizi/gestori diventano i clienti della rete ATM– Occorrono standard molto precisi, soprattutto per la

segnalazione, che devono essere concordati in sede ITU

46

deisNET N. 91

Scenario Internet driven

• Internet ha raggiunto una enorme diffusione(connette più di 100.000.000 di computer)

• Circa tutti i programmi applicativi sono basati suinterfacce TCP/IP ed è ora molto costosocambiare i protocolli di rete

• Viene l’idea di andare verso una rete TCP/IP alarga banda, introducendo routers a larga banda

• Problemi: il TCP/IP nella versione attuale nonpuò garantire alcuna qualità di servizio (QoS)

• Sono in corso ricerche per offrire QoS nei routerTCP/IP (RSVP, int-serv, diff-serv)

deisNET N. 92

Scenario Internet driven (segue)

• Tutti i servizi trasportati da Internet fra cui– Internet telephony– Internet broadcasting– Accesso mobile a Internet

• Devono essere risolti molti problemi– QoS– Security– Tariffazione (attualmente Internet è gratuita)– Tutti questi problemi sono aggravati dalla molteplicità

e varietà dei gestori (federazione di reti e di gestori);sono richieste tecniche efficienti per l’interazione fragestori

47

deisNET N. 93

Scenario mobile driven

• In molti paesi (fra cui l’Italia) il servizio piùvelocemente in crescita è quello radiomobile

• La maggior parte del traffico telefonicocoinvolge almeno un operatore mobile

• Concetto UPT (Universal Personal TLC)– L’indirizzo di rete è associato alla persona e non ad

un terminale– Il servizio deve essere sempre disponibile

• I sistemi di III generazione offrono accessi abanda piuttosto larga (fino a 2 Mbit/s)

• I terminali radiomobili sono calcolatori sofisticati

deisNET N. 94

Scenario Mobile driven (segue)

• In questo scenario l’accesso alla rete avvienepraticamente sempre attraverso terminali mobili

• La rete fissa è usata solo per la rete di dorsale(backbone)

• Occorrono protocolli sviluppati ed ottimizzati perle reti mobili che devono essere accettati da tuttigli operatori

• E’ critico il problema dell’alimentazione efficientedei terminali (non devono spegnersi sul più belloper mancanza di energia)

48

deisNET N. 95

Osservazioni su questi scenari• Tutti questi scenari hanno problemi

– Scenario BISDN driven• Costo del cambio di interfacce dei computer• Richiede forte coordinamento fra i gestori• Difficoltà di gestione, segnalazione complessa

– Scenario Internet driven• Non è certo che il TCP/IP possa garantire la QoS• Problemi di security e tariffazione

– Scenario Mobile driven• Problemi di banda del mezzo radio• Problemi di alimentazione dei terminali• Difficoltà di concordare un protocollo• Vulnerabilità ai disturbi anche intenzionali

• Ognuno ha anche dei motivi a favore ed è molto difficileprevedere gli sviluppi futuri

IC3N 2000 N. 96

UNO SGUARDO AL FUTURO

49

deisNET N. 97

Possibili innovazioni nella ICT

• Si stanno affacciando nel mondo della ricercainnovazioni tecnologiche che non hanno ancorauna loro fisionomia ben definita e rappresentanodelle sfide per i prossimi 10÷15 anni

• Ci sono intense attività di ricerca nei tre campidella– Microelettronica/componentistica– Informatica– Telecomunicazioni

deisNET N. 98

Sfide della microelettronica/componentistica

• Aumento della complessità dei chip, componentidi dimensioni nanometriche

• Diffusione dei dispositivi optoelettronici ealtissime frequenze di lavoro

• Diminuzione dei consumi di potenza,alimentatori intelligenti (critica per i sistemimobili)

• Eterogeneità di funzioni sul chip• Diffusione di microsistemi, micromotori e

microattuatori, microsensori e biosensori

50

deisNET N. 99

Sfide dell’informatica

• Ubiquitous computing e Ambient intelligence– Ogni persona avrà a disposizione molti (decine o centinaia)

computer miniaturizzati, che renderanno “intelligenti” oggetti diuso comune in qualunque luogo uno si trovi

– Importanza dei collegamenti in mobilità– Necessaria la localizzazione nello spazio

• Applicazioni dell’Intelligenza artificiale– Rappresentazione e gestione della conoscenza– Interazione multisensoriale (riconoscimento del parlato,

computer vision, ricerca per contenuti,..)

• Cooperazione e integrazione dinamica delle applicazioniper il supporto alla mobilità e nomadicità

deisNET N. 100

Sfide del mondo delle Telecomunicazioni

• Reti completamente ottiche• Reti di contenuti multimediali• Riconfigurabilità dinamica delle reti• Sicurezza e protezione delle comunicazioni• Servizi di localizzazione• Piattaforme per servizi di realtà virtuale e

presenza virtuale