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Villa Orlandi 16 ottobre 2002

L'evoluzione delle tecnologie nelle telecomunicazioni

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L’evoluzione delle tecnologie nelle telecomunicazioni

Luigi Paura

[email protected]

Università di Napoli, Federico II

Facoltà di Ingegneria

Dip. di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni



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Introduzione

• 18° secolo – Sistemi meccanici e la rivoluzione industriale

• 19° secolo - Il vapore

• 20° secolo – Società dell’Informazione

Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione (ICT)

– Rete telefonica– Radio e Televisione– Internet– Satelliti per telecomunicazioni



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Introduzione

• 1835 – Telegrafo (Morse)• 1876 – Telefono ( Bell, Meucci)• 1895 – Radiotrasmissione (Marconi)• 1939 – Televisione• 1980 – Telefonia mobile cellulare analogica • 1992 – Telefonia digitale: GSM , ISDN• 1992 – Word Wide Web• 2003 – IMT- 2000, UMTS



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Introduzione

• Esigenza di comunicazione:

– Anyone

– Anywhere

– Anytime

• ICT può dare una risposta adeguata a questa domanda



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Introduzione

• Domanda crescente di servizi avanzati di comunicazione

– telelavoro

– telecommercio

– telemedicina

– teleformazione

– teledidattica

– intrattenimento



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Introduzione

• Quale è la risposta tecnologica?

– Utilizzare al meglio le infrastrutture esistenti:

Integrazione delle reti esistenti

Convergenza delle reti

Interoperatività delle reti esistenti



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Introduzione

– Realizzazione di nuove infrastrutture che siano in grado di:

Integrarsi alle esistenti

Introdurre nuovi servizi avanzati di comunicazione



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Introduzione

• Requisiti per raggiungere questi obiettivi:

1. Trasparenza dell’informazione rispetto all’infrastruttura

2. Copertura globale

3. Elevate capacità di trasmissione

4. Semplicità per l’accesso alle risorse di comunicazione e di elaborazione

5. Complessità hardware e software accettabile



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Introduzione

Come perseguire questi requisiti:

• Rappresentazione univoca dell’informazione

• Convergenza delle tecnologie

• Convergenza dei servizi di telecomunicazione



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Introduzione

Quali tecnologie per ottenere questi requisiti?

• La tecnologia digitale per la rappresentazione univoca dell’informazione

Il bit (binary unit) è la parte elementare dell’informazione

Ogni tipo di flusso informativo può essere rappresentato da una sequenza di simboli binari



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Introduzione

• Per la copertura globale si ricorre all’integrazione delle tecnologie di trasmissione :

– terrestre :• propagazione guidata

– cavo coassiale

– doppino in rame– fibra ottica

• Propagazione radio

– satellitare



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Introduzione

• Per conseguire elevate capacità di trasmissione si utilizza per le dorsali la tecnologia ottica

• L’abbattimento della complessità e quindi dei costi si persegue con tecnologie digitali di elaborazione e di trasmissione



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Scopo della presentazione

– Le principali problematiche nell’ambito delle reti di telecomunicazioni

• Rappresentazione numerica e compressione delle sorgenti di informazione

• L’esigenza della larga banda

• Convergenza e neutralità delle reti a larga banda



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Scopo della presentazione

– Le risposte a breve termine in ambito tecnologico alle esigenze di comunicazione nella Società dell’Informazione

• Le nuove piattaforme di comunicazione (TV digitale, UMTS, Internet) e i servizi di telecomunicazione



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Rappresentazione numerica e compressione delle

sorgenti di informazione

– Le principali sorgenti di informazione:

• Segnale audio

• Segnale di immagine

• Segnale video

• Dati



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Rappresentazione numerica e compressione delle sorgenti di informazione

– Problemi:

• Caratteristiche molto differenti

• Requisiti di trasmissione molto differenti

• Qualità di servizio molto differenti

– Risposta naturale:

• Infrastrutture di comunicazione differenziati



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– Domanda primaria:• Unica infrastruttura di rete capace di fornire servizi

multimediali di TLC

– Risposta tecnologica:• Rappresentare in maniera univoca le differenti tipologie

di informazione• Introdurre la rappresentazione numerica: l’informazione

è associata a insiemi di cifre binarie• Bit - unità di misura dell’informazione- corrisponde

all’informazione associata al lancio di una moneta



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– Come ottenere questa rappresentazione?

• Segnale audio: campionamento temporale e quantizzazione

• Immagine : campionamento spaziale e quantizzazione

• Segnale video: campionamento temporale e spaziale e quantizzazione



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Caratteristiche delle principali sorgenti

Sorgente multimediale

Dimensione/

durata

Bit/pixel o

Bit/campione

Dati non compressi

Pagina di testo 11”x 8.5” Risoluzione variabile

16-32 Kbits

Segnale telefonico

1 sec 8 bps 64 Kbits

Immagine B/N 512 x 512 8 bpp 2.1 Mbits

Immagine a colori

512 x 512 24 bpp 6.29 Mbits

Immagine medicale

2048 x 2048 12 bpp 41.3 Mbits

Immagine SHD

2048 x 2048 24 bpp 100 Mbits

Segnale video

Full-motion640 x 480

10sec24 bpp 2.21 Gbits



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– Perché comprimere?• Risparmiare in risorse di memoria• Risparmiare in risorse di comunicazione

– Cosa significa comprimere? • Eliminare la ridondanza presente nell’informazione

– Quale ridondanza?• temporale• spaziale• spettrale• psicofisica



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– Classificazione degli algoritmi di codifica

• Codifica con perdita• Codifica senza perdita

• Codifica predittiva• Codifica con trasformata

ESEMPIO DI CODIFICATORE JPEG

• Codificatore di sorgente• Quantizzatore• Codifica entropica



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– Gli standard:

• JPEG (Joint Photographic Expert Group nasce da ISO e IEC) è introdotto nel 1992 per immagini fisse

• Assume che il codec e il decodec siano basati sulla Discrete Cosine Transform (DCT)



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– Problemi con JPEG:• Distorsioni non accettabili per elevati rapporti

di compressione ( bassi bit rate)• Codifica con e senza perdita non integrate• La DCT non consente la trasmissione

progressiva

Lo standard JPEG è una lista di algoritmi di codifica e decodifica.

Nessun tentativo di integrazione



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• Lo standard JPEG-2000: – Risponde ai problemi di JPEG– Risponde alle nuove esigenze

– E’ basato sulla trasformata “wavelet”• scalabilità (bit rate variabile)• approccio unitario per codifica con e senza

perdita



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– Caratteristiche:

• costruzione progressiva dell’immagine

• individuazione di regioni di interesse

• possibilità di inserire marker per risincronizzazione

• accettabile qualità di riproduzione per bassi bit rate (0.1 bit/pixel)



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• possibilità di realizzare codec con ridotta risorsa di memoria per specifiche applicazioni

• accesso e elaborazione random alla codestream

• possibilità d elaborazioni con elevata qualità e fedeltà di riproduzione di immagini a colore

• Possibilità di soddisfare le future richieste di arti grafiche e di Internet

• Possibilità di introdurre strategie di sicurezza



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• JPEG 2000 è costituito da 5 parti:

1. JPEG 2000 Immage Coding System2. Extensions3. Motion JPEG 20004. Conformance5. Reference software

Maggiori dettagli nei documenti reperibili in: http://www.jpeg.org /JPEG2000.htm



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• Rapporti di compressione:

Il successo di JPEG 2000 è dovuto principalmente alla sua natura royalty-free



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L’esigenza della larga banda

Perché la larga banda?

La banda di un canale è una misura del massimo bit rate (bit/sec) che il canale può trasferire

Esempio:

Canale telefonico tradizionale – 4 K Hz 64 K bit/sec

Segnale video - 6 Mbit/s



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L’esigenza della larga banda

• Il trasferimento in tempo reale di grandi quantità di informazioni richiede l’impiego di canali a larga banda

– servizi multimediali

– TV digitale on demand

– Internet down-load, ecc.)



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TV digitale• 1939 – Passaggio dalla radio alla TV B/N

• Fine anni 50 – TV a colori + sistemi di videoregistrazione

• Anni 60 – transistor e in seguito tecnologia VLSI consentono la digitalizzazione

• Il servizio analogico sarà garantito finché la transizione alla tecnologia digitale non sarà completata



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TV digitale

• Questa transizione è simile a quella che caratterizzò il passaggio dal B/N al colore?

– Si fissa lo standard– Si realizzano ed istallano le apparecchiature– Si eroga il servizio di diffusione

• Differenze rispetto alla transizione TV B/N TVC:– LA DTV non è compatibile con il sistema analogico– La presenza di INTERNET, connessioni a larga banda– (XDSL)

• Convergenza delle tecnologie:satellite+cavo +radio terrestre



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TV digitale

• TV interattiva:

– Ruolo cooperativo dell’utenza utenza come sorgente di informazione

– TV on demand

• Convergenza tra INTERNET e tecnologia broadcasting:– AOL (american on line) ha cominciato a fornire TV on

demand



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TV digitale

• Grandi distanze dorsali con fibra ottica per elevate velocità

• Brevi distanze tecnologia wireless COFDM (compressed orthogonal frequency division multiplexing)



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IMT-2000 UMTS

• IMT- 2000 (International Mobile Telecomuncations): Sistemi RM di 3G in ambito ITU.

• UMTS (Universal Mobile Telecomunication System) è uno standard dell’ETSI per telecomunicazioni mobili di 3G.

• Obiettivo: Definizione di un sistema integrato di comunicazioni multimediali personali con copertura globale.

• Velocità di trasmissione: fino a 2 Mbit/sec.• Qualità comparabile con quella dei servizi forniti

dalla rete fissa



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UMTS

• Specifiche:– Data rate

• Indoor – 2.048 Mbps• Outdoor-to-indoor – 384Kbps• Outdoor – 144 Kbps• Satellite (mobilità globale) – 9.6Kbp



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UMTS

Fonia - Video

Dati - InternetAlways on

144 Kbps

2 MbpsUMTSG3

+ Video 3D>100 MbpsG4-G5

Fonia - Video

Dati - InternetAlways on30-170 KbpsGPRSG2.5

Fonia

Dati (sms)Dial up

9.5

KbpsGSMG2

FoniaDial upAnalogicoE-TacsG1

ServiziConnessioneVelocitàTipoGenerazione



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UMTS

• Tecnologia di accesso radio terrestre : UTRA – UMTS Terrestrial Radio Access

– W-CDMA – Wideband Coding Division Multiplexing Access per trasmissione di fonia

– TD/ CDMA per trasmissione dati• Unione delle due tecnologie conferisce allo standard UMTS

una maggiore versatilità

• La tecnica ODMA (Opportunity Driven Multiple Access) che attribuisca anche ai terminali un ruolo attivo (ritrasmissione di pacchetti della Base station ai terminali più distanti)

I terminali sono relay intermedi.



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Open Problems

• Nonostante tutte queste soluzioni tecnologiche, saremo noi uomini in grado di scambiare davvero informazione ?

• Quanta di questa tecnologia sarà davvero al servizio della Società ?

• La nostra vita di tutti i giorni migliorerà ?

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