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Capitolo 5 1/2 - parte 2

Corso Reti ed ApplicazioniMauro Campanella

M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5.5 - 2 pag. 2

Mezzi trasmissivi fisici

Guida

Non guidaAria

Cavo coassiale

Coppia di caviintrecciati(twisted pair)

Fibra Ottica

Vuoto


Mezzi trasmissivi

Il mezzo trasmissivo è il cammino fisico, tra il mittente ericevente, che il segnale (onda elettromagnetica o fotone)attraversa.

Su tali mezzi trasmissivi il segnale può viaggiare– in una sola direzione (simplex)– nelle due direzioni alternativamente (half-duplex)– contemporanemeamente in entrambe le direzioni

(full-duplex)

Il mezzo può essere punto-punto oppure condiviso da piùnodi

M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5.5 - 2 pag. 4Figure 3.48

Lo spettro elettromagnetico

f(Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024

suono radio microonde infrarosso UV raggi X raggi gamma

luce visibile

La relazione fondamentale tra la frequenza ƒ e la lunghezza d’ondaλ è

λƒ = c/n(λ)

dove c è la velocità della luce nel vuoto ed n(λ) è l’indice dirifrazione del mezzo (per esempio n è circa 2.418 nel diamante).A frequenze più grandi corrispondono lunghezze d’onda più piccole.

700 nm 400 nm


Spettro Elettromagnetico

p.e. 1550 nm 1310 nm 850 nm


Doppino incrociatoDue fili che corrono paralleli, incrociandosi, ciascuno isolato dauna guaina isolante– I fili si avvolgono con regolarità l’uno con l’altro e sono

spesso uniti con altre coppie in un unico cavo.– Il ricevente ricava il segnale della differenza in tensione

rilevata sui due fili allo stesso istante– L’interferenza agisce su entrambi i fili nello stesso modo

permettendo di trasmettere differenzialmente e di eliminare ilrumore

– Incrociando i fili si riduce l’interferenza fra coppie vicine.– Singolo giro: 50—150 mm– Spessore : 0.4—0.9 mm

singolo giro


Interferenza su doppino non incrociato

sorgente di rumore

mittente ricevente

rumore = 16 unità

rumore = 12 unità

L’effetto totale, anche se si trasmette differenzialmente (segnaliidentico su entrambi i fili, ma di segno opposto, sommati allafine) è di 4 unità di rumore al ricevente.


Interferenza su doppino incrociato

L’effetto totale, con trasmissione differenziale, è di 0 unità dirumore al ricevente.

sorgente di rumore

mittente ricevente

rumore = 4 unità

rumore = 3 unità per ogni mezzo giro di ogni filo


Doppino incrociato

Il doppino permette di trasmettere un ampio spettro di frequenze.Attenuazioni tipiche sono di– 0.6–3 dB/Km a 1KHz– 7–16 dB/Km a 500KHz

In caso di trasmissione digitale– Ripetitori ogni 2-3 Km– permette pochi Mb/s su lunghe distanze e 100 Mb/s–1Gb/s su

distanze da 10 a 100 metri.– Per esempio, un filo di misura 24 (24-gauge) (diametro 0.406

mm) permette la trasmissione fino a 5 Km a 1,5 Mb/s, ma solo300 metri a 51 Mb/s.


Att

enua

zion

e (d

B/m

iglio

)

f (MHz)

19 gauge

22 gauge

24 gauge

26 gauge

6

12

3

9

15

18

21

24

27

30

1 0,01 0,1 1

Attenuazione nel doppino fino a 1 MHz


Attenuazione nel doppino fino a 100 MHz

.011

.1 1 10 100

10

100

Category 3

Category 4

Category 5

.011

.1 1 10 100

10

100

Category 3

Category 4

Category 5

Frequenza (MHz)

AttenuazionedB/305 m


Doppino schermato e non schermato

Unshielded Twisted Pair (UTP)– normale cavo telefonico per esempio– economico– semplice da installare– può risentire di interferenze elettromagnetiche esterne

Shielded Twisted Pair (STP)– Aggiunta di uno schermo metallico che riduce le

interferenze– più costoso– più difficile da utilizzare (più rigido, spesso e pesante)


Il cavo UTPblu

bianco/blu

bianco/arancioarancio

bianco/verde

bianco/marronemarrone

Normalmente 4coppie concolori standard.

verde


Categorie UTP

Cat 2– da 0,256 a 1 MHz, usato

solo per la voceCat 3 - diffuso– da 0,772 a 16MHz– usato sia per la voce che

per i dati– lunghezza del giro da

7.5 cm a 10 cmCat 4 - poco usato– da 0,772 a 20 MHz

Cat 5 - molto usato– da 0,772 a 100MHz– lunghezza del giro da

0.6 cm a 0.85 cmCat 6– da 0,772 a 250 MHz o

più– ancora non

standardizzato


Connettori

Il connettore da utilizzareriveste un’importanza pari osuperiore a quella del cavostesso:– facile da utilizzare– economico– resistente all’usura ed alla

trazione– sia maschio che femmina,

con possibilità di “presa amuro”

connettore maschioUTP RJ-45


La distribuzione strutturata

Patch Panel

Presa a muro

Linea Base

linea totale

Cavo di distribuzionenell’edificio

CavoPatch

CavoPatch

SwitchNodo

Stanza


Connettori

Telefono– Distribuzione d’edificio:

· Cavo multicoppia terminato tradizionalmente su deipannelli con connettorizzazione “a pressione”. Il singolofilo viene inserito a pressione fra due lamine sottili chetagliano la guaina e fanno contatto con il rame

· vari tipi, tra cui AT&T e Krone– Distribuzione finale

· presa a muro con spina tripolare (italia)· oppure connettore RJ-11 (4 o 6 fili)


KRONE -vs- 110

Contatto tipo KRONE Contatto AT&T tipo 110

vista dall’alto

vista laterale


Connecttori dati

Il tipo di connettore universalmente usato è il tipo RJ45,specificato da TIA/EIA 568A/B:– 4 coppie intrecciate– in versione schermata o non schermata

maschio femmina


RJ45 (2 coppie) pin out cavo dritto

1 - TX+2 - TX-3 - RX+4 -5 -6 - RX-7 - 8 -

La regola per associare un cavo di un particolare colore al numerodi un pin del connettore, nel caso di cavo dritto, il più usato. Ladisposizione dei cavi nei due connettori è identica.Il connettore dal lato dello switch automaticamente invertereceive e transmit come mostrato.

1 - RX+2 - RX-3 - TX+4 -5 -6 - TX-7 - 8 -


RJ45 (2 coppie) pin out cavo incrociato

1 - TX+2 - TX-3 - RX+4 -5 -6 - RX-7 - 8 -

Un cavo incrociato serve per collegare due nodi terminalidirettamente, senza necessità di uno switch. Quindi i pin daentrambi i lati avranno lo stesso significato ed il cavo devecollegare ogni TX all’ RX corrispondente.

1 - TX+2 - TX-3 - RX+4 -5 -6 - RX-7 - 8 -


L’uso del doppino

Il doppino è alla base del cablaggio strutturato, che unificala distribuzione all’utente di telefono, voce e dati su due solimezzi:– doppino (di categoria 5 o superiore)– fibra ottica (in alcuni casi)

Il rame non è più usato nella struttura di dorsale, dove sipreferisce la fibra ottica per la maggiore distanza chepermette, flessibilità di impiego e velocità.Il doppino è ancora diffuso “nell’ultimo miglio”, comeeredità del sistema telefonico e tecniche come xDSLcercano di ottenere dal doppino la massima velocitàtrasmissiva.


ISDN

Integrated Service Data Network su rete telefonica stessa:– l’accesso base (Basic Rate Interface) consiste in

· due canali (B) a 64Kb/s· uno dati (D) a 16Kb/s

– costoso, perchè tariffato a tempo, se si usano due canalisi paga il doppio (costo è funzione lineare della capacitàusata)

– banda garantita– permette di utilizzare più di un canale a 64Kb/s

contemporaneamente, ma come somma di molti canalisingoli

– il perfezionamento dei modem l’ha reso obsoleto


ADSL

Asymmetric Digital Subsrciber Line– usa lo stesso filo telefonico verso utente (local loop), ma lo

collega ad apparecchiature diverse– lo spettro di frequenza è diviso in due parti:

· dall’utente alla rete: da 64 a 640 Kb/s· dalla rete all’utente: da 1.536 a 6.144 Mbs

– ITU-T G.992.1 specifica per ADSL la modulazione Discreta MultiTono (DMT) che combina le caratteristiche del multiplexing adivisione di frequenza e l’utilizzo contemporaneo di più di uncanale trasmissivo (multiplexing inverso)· DMT divide la banda in vari sotto-canali· l’informazion è inviata simultaneamente a tutti i canali usando

tecniche QAM ed evitando i canali “rumorosi”.


Cavo Coassiale

Due tipi: BandaBase (Baseband) e BandaLarga (Broadband)

Conduttorecentrale

(metallo solido)

Isolamento(materialedielettrico)

Conduttore esterno

(schermo a fogli)

Isolamentoesterno


Cavo Coassiale

Il cavo coassiale permette uno spettro di frequenze piùampio del doppino (fino ad 1 GHz):– Diametro 1–2.5 cm;– Distanze maggiori del doppino;– maggior numero di nodi collegabili;– buona schermatura;– costo medio;– 50 Ω usato per i dati, 75 Ω usato per trasmissioni

analogiche, televisione, satellite.Usato ampiamente tutt’ora nella distribuzione telefonica eper la televisione via cavo.


Cavo Coassiale

Nella trasmissione dati Ethernet 10Base2 utilizza unconnettore a “T” per collegare i nodi e resistenze diterminazione di 50 Ω.La rete finale deve essere equivalente ad un bus lineare,senza biforcazioni e anelli !


35

30

10

25

20

5

15

Att

enua

zion

e (d

B/km

)

0.01 0.1 1.0 10 100 f (Mhz)

2.6/9.5 mm

1.2/4.4 mm0.7/2.9 mm

Attenuazione nei cavi coassiali


capo del cavo

rete di distribuzione

Tipicamente da 500 a 5,000 case

Rete via cavo

Diffusa negli Stati Uniti ed in altri paesi.Un mezzo condiviso fra molti utenti.(si veda capitolo 1 Kurose)


Rete via cavo

Ambiente casalingoserver


Canali

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

DATA

DATA

CONTROL

1 2 3 4 5 6 7 8 9

FDM:

Rete via cavo


Fibra ottica

Gli enormi progressi in termini di miniaturizzazione e velocitàdelle componenti elettroniche hanno permesso di passarenell’arco di 20 anni da CPU a 1 Mhz a CPU a 2 GHz (unfattore 20 ogni dieci anni, legge di Moore).La trasmissione dati su fibra ottica nello stesso periodo ècresciuta fino a 50,000 Gb/s su singola fibra, vincendo, perora, la gara.


Rivestimento esterno (Jacket)

Rivestimentointerno (Cladding)

Core(cuore)

Fibra ottica

Tre componenti chiave:– la sorgente di luce– la fibra– il rivelatore

core

cladding jacketluce


Figure 3.44

Fibra ottica

Il core un indice di rifrazione leggermente maggiore delcladding, permettendo la riflessione totale interna.– Il rapporto dei due indici di rifrazione definisce l’angolo

critico θc (circa 16°)– Quando l’angolo di incidenza della luce è minore di θc la

luce viene riflessa ancora nel core, proseguendo

La luce in ingresso ad un angolomaggiore di quello critico è assorbita dal rivestimento esterno

Angolo diIncidenza

Angolo diRiflessione

θc


Fibra ottica - sistemi trasmissivi

Un segnale elettrico viene convertito in ottico, sotto forma diimpulsi (1 = luce, 0 = assenza di luce)– Light Emitting Diode (LED)

· economici; operano in una vasta gamma di condizioniambientali ; di lunga durata; potenza limitata; nonstrettamente monocromatici

– Injection Laser Diode (ILD) e Laser· più efficenti e potenti; monocromaticità; più costosi ed

ingombrantiIl ricevente riconverte il segnale ottico in elettrico.Normalmente nelle fibre il data link fa costantemente passaresegnale per mantenere costante la risposta della fibra.


Fibra ottica

Laser

LED

Lunghezzad’onda

Intensità

1310 1314 136013061260


Parametri per le prestazioni

Attenuazione (intrinseca e meccanica)– Lunghezza d’onda (il mezzo reagisce diversamente a

lunghezze d’onda diverse)– Dispersione (l’impulso non è mai perfettamente

monocromatico e la velocità di propagazione cambia dauna lunghezza d’onda ad un’altra)

– Frequenza di utilizzo– La composizione della fibra (mono o multimodale, tipo di

vetro, drogata)


Attenuazione nella fibra

Perdita per collisione o assorbimento nella fibra

Perdita per angoloeccessivo dipiegatura della fibra


Lunghezze d’onda tipiche

La scelta della lunghezzad’onda dipende dallasorgente e dalla fibra(lunghezza e tipo)

NON bisogna mai guardarenelle fibre o nelleinterfacce ottiche,soprattutto se a medio olungo range !

400 nm Ultravioletto455 nm Violetto490 nm Blu

550 nm Verde580 nm Giallo620 nm Arancio750 nm Rosso800 nm Infrarosso850 nm

1300 nm1550 nm

LuceVisibile


Frequenze tipiche

Ogni apparecchiatura di trasmissione e ricezione è sensibilea frequenze ne’’intorno di una principale e fino ad un livellominimo di intensità di segnale.

Lunghezza d’onda Finestra di ricezione nominale 850 nm 800nm - 900nm 1310 nm 1250nm - 1350nm 1550 nm 1500nm - 1600nm


Attenuazione


100

50

10

5

1

0.5

0.1

0.05

0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8Lunghezza d’onda (µm)

Perd

ita

(dB/

km)

Assorbimento infrarosso

Rayleigh scattering

Attenuazione


Fibra ottica

Nella regione intorno a 1300nm– attenuazione < 0.5dB / km– banda fino a 25 Terahertz

Nella regione intorno a 1550nm– attenuazione < 0.2dB / km– banda fino a 25THz

Utilizzando tecniche dimultiplazione di frequenza siottiene la Wavelength DivisionMultiplexing (WDM) perutilizzare la grande bandadisponibile.

– Dense WDM (DWDM): 160lunghezze d’onda da 10 Gp/sl’una

– Coarse WDM: 8 lunghezzed’onda fino a 2.5 Gp/s

– Maggiore la velocitàmaggiore la dispersione

Oggi esistono apparecchiatureche permettono di avere trattesenza ripetitori di anche 600Km.


Dispersione

La dispersione è causata dalla variazione della velocità nellafibre in funzione del valore della lunghezza d’onda.Due i principali effetti di dispersione:– Modale– Cromatica

L’effetto netto è l’allargamento dell’impuso di luce.Sono prodotte oggi fibre a dispersione negativa diversa dazero (Non Zero Dispersion Fiber) che correggono ladispersione agendo al contrario.


Dispersione cromatica

Cladding

Cladding

1290 nm

1300 nm

1310 nm

Core

Cladding

Cladding

1290 nm

1300 nm

1310 nm

Core


Dispersione modale

Shortest Path

Fiber

High Order ModeShortest Path

Fiber

High Order Mode Cammino più breve Cammino più lungo (modo di ordine superiore)

Fibra


Fibra Multi Modo - luce su cammini diversi

Cammino diretto

Luce riflessa

Fibra Mono Modo - solo un cammino

Modi nella fibra ottica

Fibra Multi-Modo: molti raggi di luce con cammini diversi(dimensioni tipiche 62.5/125 micron o 50/125 micron), ma– limitazioni nella distanza e nella frequenza massima

Fibra Mono Modo (Single-Mode): diametro del core di 9 micron per– distanze maggiori e velocità elevate (anche 160 Gb/s)


Modi di trasmissione


Fibra ottica - Applicazioni

Scelta naturale per distanze grandi, anche su scala geografica– velocità da 155 bs to 9.6 Gb/s (singola “lambda”);– 40 Gb/s a 1.600 Gb/s (con WDM)– Comincia ad essere diffusa anche come mezzo per l’accesso

· Una “fibra per ogni casa” è ancora costosa· Una fibra per ogni edificio è più abbordabile (Fastweb)

Su LAN come dorsale e per alcuni nodi– Ethernet (10, 100, 1.000, 10.000 Mb/s)– Il nodo deve avere un’architettura HW adatta


Fibra ottica - vantaggi

– capacità pressoché illimitata anche su una singola fibra– peso e dimensioni ridotte– bassa attenuazione (0.5 dB/Km)– immune da interferenze elettromagnetiche– maggiore durata nel tempo dell’investimento– adattabile a vari scenari (cavidotti elettrici, tubature…)– costi abbordabili– possibile fare giunzioni a caldo sul campo (< 0.01 dB)


Fibra ottica - connettori

connettore di tipo SC


Synchronous Optical NETwork (SONET - USA)e Synchronous Digital Hierarchy (SDH - EU)

Sviluppato dalle società di telecomunicazione (Bellcore equindi CCITT) per– Interconnettere in maniera standard fibre di carrier diversi– Unificare i sistemi digitali europei, giapponesi e degli USA– Multiplare efficentemente i canali in modo sincrono, così

che sia possibile indirizzare direttamente il frame di unaparticolare connessione

– Unificare e creare un sistema di diagnostica, controllo,amministrazione e mantenimento (OAM)


Velocità trasmissive SONET/SDH

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