Sezione 19.2: Multiplazione Su  Capitolo 19: Reti a commutazione di circuito Sezione 19.4: Gerarchia digitale sincrona 

19.3  Rete plesiocrona

Questo termine si riferisce alla modalità di funzionamento quasi-sincrona adottata dalle centrali telefoniche, almeno finché la rete di trasporto non è divenuta capace di realizzare una modalità di multiplazione sincrona (§ 19.4↓). In entrambi i casi, i segnali vocali sono trasportati in forma numerica, multiplandone i campioni a divisione di tempo in modo deterministico, in accordo ad una organizzazione di trama realizzata presso la centrale di accesso, come descritto di seguito.

19.3.1  Trama PCM

Nella figura seguente sono rappresentati tre segnali tributari, campionati a turno alla stessa frequenza di 8 KHz, quantizzati ad 8 bit per campione con quantizzazione logaritmica (vedi § 4.2.2↑), e trasmessi (8 bit alla volta[973]  [973] La tecnica di multiplare un blocco di bit (in questo caso 8) alla volta prende il nome di word interleaving, distinto dal bit interleaving, in cui l’alternanza è a livello di bit.) a turno su di un unico collegamento, producendo un segnale binario che prende il nome di pcm (Pulse Code Modulation[974]  [974] Il segnale PCM ispira il suo nome dal PAM (vedi § 19.9.5↓) in quanto ora, anziché trasmettere le ampiezze degli impulsi, si inviano i codici binari dei livelli di quantizzazione.). In figura è evidenziato inoltre un blocco di sincronizzazione (§ 19.3.3↓) necessario a ricostruire la corretta sequenza ricevuta, in modo da redistribuire correttamente i campioni ai filtri di restituzione.
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La struttura temporale ripetitiva che ospita i campioni dei singoli tributari prende il nome di trama (frame[975] [975] frame significa più propriamente telaio, e in questo caso ha il senso di individuare una struttura, da “riempire” con il messaggio informativo.), ed è composta da 32 intervalli temporali detti time-slot. Trenta di questi ospitano a turno i bit di un campione proveniente da un numero massimo di 30 tributari[976] [976] 
In figura è mostrato un esempio, in cui i campioni sij di N sorgenti Si si alternano a formare una trama. Durante l’intervallo temporale tra due campioni, devono essere collocati nella trama tutti gli M bit/campione delle N sorgenti, e quindi la frequenza binaria (in bit/secondo) complessiva sarà pari a fb  = fc (campioni/secondo/sorgente) N (sorgenti) M (bit/campione).
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, mentre i rimanenti due intervalli convogliano le informazioni di segnalazione[977] [977] Vedi anche le sezioni 19.3.2↓ e 19.9.1↓., che indicano lo stato dei singoli collegamenti (il 16o intervallo) e forniscono il sincronismo relativo all’inizio della trama stessa (il primo). La velocità binaria complessiva risulta quindi di 32 intervalli * 8 bit/intervallo * 8000 campioni/secondo = 2048000 bit per secondo; per questo motivo, ci si riferisce all’insieme come alla trama PCM a 2 Mbit. D’altra parte, la durata della trama deve essere pari al periodo di campionamento, ossia 1/8000 = 125 μsec.
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Il primo time-slot della trama contiene una configurazione di bit sempre uguale, chiamata flag (bandiera, vedi § 17.5.2.1↑), che ha lo scopo di indicare ai circuiti di sincronismo l’inizio della trama stessa. I dati di segnalazione contenuti nel 16o intervallo devono essere diluiti su più trame, per poter rappresentare tutti i 30 tributari[978] [978] Gli 8 bit del 16o intervallo sono infatti insufficienti a codificare lo stato dei 30 tributari che contribuiscono al segnale tdm.. Si è stabilito che occorra prelevare il 16o intervallo di 16 trame successive, per ricostruire una struttura detta supertrama (di 16*8 = 128 bit) che rappresenta le informazioni di tutti i tributari (disponendo così di 4 bit/tributario/supertrama), e che si ripete ogni 16*125 = 2000 μsec = 2 msec.
In effetti nel 16o time-slot della trama sono presenti a turno, oltre ai bit di segnalazione relativi allo stato dei tributari, anche bit necessari alla sincronizzazione della supertrama (ossia un flag), mentre le informazioni di segnalazione sono ripetute più volte nella stessa supertrama, per proteggersi da eventuali errori di ricezione, che danneggiando l’informazione sullo stato dei canali, potrebbero causare la “caduta della linea”.

19.3.2  Messaggi di segnalazione

Come illustrato al § 19.9.1↓, la rete di accesso è sede di uno scambio di informazioni tra terminale e centrale locale, detta segnalazione di utente, e che ha lo scopo di indicare la disponibilità della rete, il numero chiamato, l’attivazione della suoneria, ed i messaggi a ritroso di libero/occupato. Queste informazioni, quando devono essere propagate verso il lato-rete della centrale di accesso, possono essere gestite secondo due diversi approcci.
Segnalazione associata al canale
In questo caso la centrale di accesso inserisce le informazioni di segnalazione relative ad un tributario all’interno della supertrama di segnalazione, ottenuta collezionando i valori presenti nel 16o time-slot. Questa modalità viene indicata come cas (Channel Associated Signaling), ed ha origine dalla conversione dei precedenti collegamenti analogici, in cui la segnalazione relativa ad ogni terminale viaggiava in modo indissolubilmente associato al segnale vocale, condividendo con questo il mezzo trasmissivo a commutazione di circuito[979] [979] Vedi ad es. https://en.wikipedia.org/wiki/In-band_signaling. Con la numerizzazione, si è inizialmente scelto di mantenere la segnalazione associata al segnale vocale, con la contropartita che quando, nell’attraversare una centrale di transito, una comunicazione è commutata su di una diversa linea di uscita, deve essere commutata anche la segnalazione associata.
La figura 19.5↓ mostra come la numerazione venga recepita da un organo di controllo centrale, che provvede a impostare il dispositivo di commutazione (§ 19.8↓), in modo che la comunicazione sia instradata verso la linea di uscita in direzione della destinazione. Quindi, l’informazione di segnalazione viene ri-associata nell’intervallo 16.
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Figura 19.5 Controllo di centrale nel caso di segnalazione associata al canale
Segnalazione a canale comune
Il primo passo evolutivo è stato quello di provvedere ad un canale comune di segnalazione direttamente collegato agli organi di controllo (vedi fig. 19.6↓), su cui poter convogliare la segnalazione relativa a tutte le comunicazioni in transito tra le due centrali.
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Figura 19.6 Separazione della segnalazione in un canale comune
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I messaggi di segnalazione, per loro natura, devono essere trasmessi solo quando si verificano degli eventi significativi, e per questo motivo sono ora inviati mediante dei pacchetti dati. Il passo successivo è quindi stato quello di realizzare una intera rete a commutazione di pacchetto, parallela a quella di transito su cui viaggiano (in modalità a circuito) le conversazioni vocali.
In tal modo, gli organi di controllo delle centrali sono in comunicazione diretta tra loro, secondo la modalità cosiddetta ccs (Common Channel Signaling), mediante una rete a pacchetto dedicata alla segnalazione, sulla quale viaggiano i messaggi definiti da un apposito sistema di segnalazione (vedi § 19.9.3↓), e che permette di centralizzare il controllo e la configurazione di tutte le centrali coinvolte nell’instradamento di una stessa comunicazione, rendendo così possibile la disponibilità di servizi come il trasferimento di chiamata, la conversazione a tre, l’avviso di chiamata....

19.3.3  Sincronizzazione di centrale

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Nella figura a lato sono mostrati i diversi stati attraverso cui deve evolvere il dispositivo di sincronizzazione che opera sui flussi pcm cas, prima di entrare nello stato di lock (aggancio) ed iniziare a poter leggere e smistare i contenuti dei diversi time-slot.
Occorre infatti acquisire innanzitutto il sincronismo sul bit, sfruttando le caratteristiche del codice di linea utilizzato[980]  [980] Nel caso specifico, l’hdb3, pag. 1↑.; quindi si sfrutta la conoscenza della configurazione scelta per il flag di inizio trama, per individuare da dove iniziare a conteggiare gli intervalli temporali. Infine, viene individuato l’inizio della supertrama, grazie ad un’ulteriore configurazione prefissata, posta all’inizio della stessa. In ogni stato poi, esiste la possibilità (fortunatamente remota) di perdere il sincronismo ed indietreggiare (linee tratteggiate) nel diagramma di stato, perdendo le comunicazioni in corso.

19.3.4  Multiplazione asincrona e PDH

L’argomento di questo paragrafo non va confuso con la trasmissione asincrona (quella start-stop mostrata al § 8.6.1↑), e che descrive una modalità di inviare informazioni numeriche; qui invece si tratta di multiplare, ossia come mettere assieme più comunicazioni.
Via via che la rete di trasporto è interconnessa mediante centrali di livello gerarchico superiore, associate ad aree di influenza geografica più estesa (vedi § 19.5↓), i collegamenti di giunzione trasportano un numero di tributari sempre più elevato, ottenuti raggruppando assieme tutte le conversazioni contemporaneamente dirette verso la stessa destinazione. Considerando allo stesso tempo le problematiche legate al dover svolgere nelle centrali la funzione di commutazione, ci si pone il problema di individuare dei metodi efficienti di raggruppare assieme più tributari, anche a velocità diverse, facendo in modo che l’operazione di inserimento/rimozione di un singolo tributario sia relativamente agevole. Rimandiamo al § 19.4↓ l’analisi di come avvenga il processo di multiplazione nel caso in cui esista una perfetta sincronizzazione tra gli elementi della rete, e trattiamo nel seguito il caso della rete plesiocrona.
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Nella trama pcm (§ 19.3.1↑), tutti i 30 canali sono campionati congiuntamente, e più flussi a 2 Mbit possono a loro volta essere “messi assieme” in modalità bit interleaved (prendendo un bit alla volta da ogni tributario) da appositi dispositivi multiplatori (o multiplexer, o mux). Il collegamento può prevedere più dispositivi detti ripetitori rigenerativi (§ 15.3.2↑), che oltre ad amplificare il segnale, lo “puliscono” dal rumore accumulato, decodificando i dati in ingresso per poi generare ex-novo il segnale numerico.
N. Canali sigla Vel. (kbps) Teorica
30 E1 2.048
120 E2 8.448 8.192
480 E3 34.368 32.768
1920 E4 139.264 131.072
7680 E5 565.148 524.288
Il problema con questo modo di procedere è che i singoli tributari possono ragionevolmente avere origine da centrali differenti, ognuno con un proprio orologio indipendente, e quindi le velocità possono essere lievemente differenti l’una dall’altra[981]  [981] Un oscillatore con precisione di una parte su milione, produce un ciclo in più o in meno ogni 106; ad una velocità di 2 Mbps, ciò equivale a un paio di bit in più od in meno ogni secondo., pur essendo molto simili. In questo caso si dice che la rete opera in modo plesiocrono, ossia quasi isocrono (ma non del tutto). 
In tabella riportiamo la gerarchia ccitt[982] [982] Comité Consultif International pour la Telephonie et Telegraphie. Questo organismo non esiste più. ed ora l’ente di standardizzazione ha nome itu-t https://it.wikipedia.org/wiki/ITU-T., nota come Plesiochronous Digital Hierarcy (pdh), secondo la quale ad esempio 4 flussi da 2 Mbps (detti e1) sono multiplati in uno da 8 Mb/sec (e2): notiamo che sebbene siano teoricamente sufficienti 8192 Mb/sec, in realtà il Multiplexer ne produce di più (8448). Questo avviene proprio per permettere la trasmissione di segnali non necessariamente sincroni, mediante la tecnica del bit stuffing[983] [983] Da: to stuff = riempire..

19.3.4.1  Bit stuffing

Consideriamo 2 tributari i cui bit vengono inseriti alternativamente in una trama da 4 bit/canale; il secondo risulta lievemente più lento. I primi 3 + 3 bit vengono trasmessi comunque, mentre il 4o può essere trasmesso o meno, a seconda se i tributari lo abbiano pronto. Per ottenere questo risultato, i bit C1 e C2 (di controllo) valgono 0 oppure 1 a seconda se l’intervallo seguente (S1 e
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S2) contenga un dato valido oppure sia solo un bit di stuff, cioè vuoto, in quanto il tributario corrispondente è più lento rispetto alla velocità nominale. Ecco perché le velocità delle gerarchie superiori sono abbondanti: per ospitare i bit di controllo, necessari a gestire tributari non sincronizzati.
Il metodo illustrato permette in ricezione di effettuare il destuffing, e riottenere i flussi originari. Nella realtà le informazioni di controllo sono molto ridondate, perché se scambiassimo un bit di stuff per uno buono (o viceversa), distruggeremmo anche la struttura di trama del tributario che ha subito l’errore.

19.3.4.2  Add and Drop Multiplexer - ADM

La modalità bit interleaved con cui è realizzata la gerarchia PDH è particolarmente problematica qualora di desideri estrarre e/o introdurre un singolo tributario da/in un segnale multiplato di ordine elevato, ovvero realizzare una funzione detta Add and Drop. In questo caso è infatti necessario eseguire un’operazione inversa a quella di multiplazione, ovvero (vedi fig. 19.10↓) demultiplare l’intero flusso, compresi tutti gli altri tributari, e successivamente ri-multiplare di nuovo il tutto.
figure ADM-PDH.jpg
Figura 19.10 Gerarchia di multiplazione pdh e complessità di un adm
Questa caratteristica limita notevolmente la flessibilità delle configurazioni di rete che si possono ottenere con questa tecnologia, e per i tributari passanti comporta l’aggiunta di un tempo di ritardo addizionale dovuto alle operazioni di demultiplazione e multiplazione. Nella pratica vengono usati solo flussi di tipo E1, E3 ed E4, che sono quelli più adatti per essere trasportati nella gerarchia sincrona SDH, multiplando direttamente sedici tributari a 2 Mbit/s all’interno di un unico flusso a 34 Mbit/s.

19.3.5  Sincronizzazione di rete

Se tutti i nodi della rete operassero alla stessa velocità, non sussisterebbero problemi nella multiplazione di più tributari. Nel caso in cui la sincronizzazione tra nodi sia completamente affidata ad un orologio di centrale di elevata precisione, si verifica il caso di funzionamento plesiocrono, che è quello prescritto per le centrali che interconnettono le reti di due diverse nazioni, o di due diversi operatori di telecomunicazioni. Ma questa non è l’unica soluzione.
Una alternativa è la sincronizzazione mutua tra centrali, in cui ognuna di queste emette i dati in uscita ad una frequenza pari alla media delle frequenze dei dati in ingresso. A parte fenomeni transitori durante i quali la rete è soggetta ad oscillazioni di velocità, relativi all’inserimento od alla disattivazione di centrali “topologicamente importanti”, il metodo funziona ragionevolmente bene. Una seconda soluzione è una sincronizzazione di rete di tipo gerarchico in cui le centrali ricevono informazioni di sincronismo da soggetti “più importanti”, come per configurazioni Master-Slave in cui il Master è una centrale ad elevata precisione, od un riferimento in comune come ad esempio un satellite in orbita terrestre.

19.3.5.1  Elastic store

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Si tratta di un accorgimento[984]  [984] Letteralmente: magazzino elastico. idoneo ad assorbire le fluttuazioni della velocità di trasmissione, come ad esempio nel caso della sincronizzazione mutua. Mentre il bit stuffing (§ 19.3.4.1↑) è adottato nella multiplazione di più tributari in un livello gerarchico più elevato, l’elastic store è usato per compensare le diverse velocità tra tributari di eguale livello gerarchico in ingresso ad un elemento di commutazione (§ 19.8↓).
E’ realizzato mediante un banco di memoria (di dimensione pari ad una trama), riempito (ciclicamente) con le parole (word) del flusso binario in ingresso, alla velocità fW di quest’ultimo, alla posizione individuata dal contatore write che si incrementa[985] [985] Il contatore write, come anche read, conta in binario, e si incrementa con frequenza fW (fR). Le parole binarie rappresentate da read e Write forniscono l’indirizzo (all’interno del banco di memoria) in cui leggere i dati in uscita e scrivere quelli in ingresso rispettivamente. appunto a velocità fW, e che torna a puntare all’inizio della memoria una volta raggiunto l’indirizzo più elevato. Un secondo puntatore read viene utilizzato per leggere la memoria, alla velocità fR richiesta, e prelevare i dati da inviare in uscita: se fR e fW sono differenti, read e write prima o poi si sovrappongono, causando la perdita o la ripetizione di una intera trama, e nulla più[986] [986] Infatti il sincronismo di trama viene preservato; inoltre l’evento di sovrapposizione dei puntatori può essere rilevato, e segnalato ai dispositivi di demultiplazione, in modo che tengano conto dell’errore che si è verificato. .
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