Con 750 milioni di unità in tutto il mondo, la linea telefonica domestica è l'ambiente di comunicazione più diffuso. La linea è costituita da una coppia intrecciata telefonica (o TTP), una coppia di sottili fili di rame isolati e intrecciati tra loro, che collega radialmente gli utenti finali a un punto di distribuzione (una centrale telefonica). L'utilizzo dell'infrastruttura TTP esistente per la trasmissione digitale a banda larga offre l'ovvio vantaggio della sua ubiquità, laddove possibile. Esamineremo come la tecnologia DSL superi i problemi della TTP come mezzo di trasmissione a banda larga, partendo da una breve storia dell'utilizzo del sistema telefonico per la trasmissione di segnali digitali.
Dall'analogico al digitale: una breve storia dalla telegrafia alla tecnologia ISDN.
La comunicazione digitale a lunga distanza su filo di rame è antecedente al telefono. Sia il telegrafo che il telex utilizzavano una forma molto semplice di codifica digitale. Alla fine degli anni '50, le forze armate, le compagnie aeree e le banche utilizzavano il filo telefonico "standard", insieme a sistemi e codici telegrafici, per collegare i propri terminali a un computer centrale remoto. Questi sistemi avevano in genere velocità di trasferimento molto basse (di solito tra 100 e 150 bps) e impiegavano una segnalazione "acceso/spento" molto semplice, ma funzionavano su distanze fino a circa 30 km.
Durante gli anni '60, per fornire velocità più elevate, iniziarono a comparire i "MODEM" (dispositivi modulatore-demodulatore), che convertivano il semplice segnale digitale "acceso/spento" in "toni audio" che potevano essere trasmessi su un canale telefonico standard. Nel tempo, i modem raggiunsero velocità sempre più elevate (fino a 56 kbps). All'inizio degli anni '70, tuttavia, gli operatori iniziarono a utilizzare tecniche digitali per la commutazione all'interno delle apparecchiature di centrale, e divenne chiaro che una connessione completamente digitale all'abbonato avrebbe potuto creare un sistema sostanzialmente migliore. Le reti ISDN (Integrated Services Digital Networks), standardizzate all'inizio degli anni '80, fornivano accesso digitale all'abbonato telefonico e potevano trasmettere due canali "voce" digitali a 64 kbps e un canale dati/segnalazione a 16 kbps sul cavo TTP standard a distanze fino a 5 km e, con i ripetitori, forse fino a 20 km.
Alla fine degli anni '80, gli operatori svilupparono i servizi "T1" (1,544 Mbps) ed "E1" (2 Mbps), che richiedevano connessioni a quattro fili e ripetitori posizionati approssimativamente ogni 1,5 km. Questi furono i precursori dell'HDSL, la prima di diverse soluzioni DSL.
Linea di abbonamento digitale ad alta velocità (HDSL)
Le velocità HDSL sono pari a quelle dei servizi T1 ed E1 e possono persino superarle se la trasmissione è principalmente unidirezionale su distanze fino a 6 km, a seconda della qualità della linea. L'HDSL è utile nelle piccole imprese per applicazioni tradizionali come la connessione a un centralino PBX e la trasmissione di dati. È molto più utile dell'ADSL per i piccoli siti web, in quanto offre velocità di upload significativamente superiori ai 640 kbps offerti dall'ADSL.
Altri standard hanno succeduto all'HDSL. SHDSL utilizza la stessa tecnologia DMT dell'ADSL (vedi sotto), ma con una sola coppia di fili. SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) è un protocollo molto simile all'HDSL che opera a 784 kbps in entrambe le direzioni su una singola coppia intrecciata di filo telefonico in rame (TTP) su distanze fino a 6 km. IDSL (Integrated Digital Subscriber Line) è simile nella struttura a SDSL, ma utilizza chipset e infrastrutture ISDN (velocità base) per fornire un singolo accesso a 128 kbps. L'IDSL offre una velocità di trasmissione massima di 128 kbps, ma consente l'utilizzo di ripetitori ISDN per raggiungere distanze fino a 20 km.
(Asymmetric Digital Subscriber Line)
è stata sviluppata intorno al 1990 per la trasmissione televisiva su linee telefoniche, in risposta agli operatori di televisione via cavo statunitensi che offrivano connessioni telefoniche tramite il cavo coassiale. Il protocollo ADSL è "asimmetrico" perché la velocità di download (verso l'utente) è considerevolmente superiore alla velocità di upload, rendendolo ideale per guardare la televisione o navigare sul web. Di conseguenza, sebbene la tecnologia ADSL non sembri essere stata ampiamente utilizzata per la visione televisiva, si è rivelata adatta a fornire connessioni ad alta velocità durante il boom di Internet qualche anno dopo. Le velocità massime di trasmissione dati specificate nello standard sono di 6 Mbps in download e 640 kbps in upload, ma in realtà variano a seconda della connessione e del contratto: il fornitore può offrire servizi da 1,5, 3 o 6 Mbps a prezzi diversi.
ADSL-Lite e RADSL:
nelle case con più prese telefoniche, un tecnico può installare uno splitter passivo per separare la voce dai dati a banda larga, ma questo ha un costo. Il protocollo ADSL-Lite (noto anche come G.lite) consente la connessione diretta di semplici filtri distribuiti, con un risparmio sui costi del tecnico e del cablaggio, ma limita la velocità di trasmissione massima a 1,5 Mbps in download e 512 kbps in upload. Il RADSL (Adaptive Rate DSL) utilizza un protocollo di livello fisico diverso e può regolare dinamicamente la velocità di trasmissione in base alla qualità del circuito disponibile.
Superare le significative limitazioni di larghezza di banda del TTP:
la chiave del successo dell'ADSL e di altri protocolli DSL è stata la "trasmissione multicarrier" utilizzata per compensare la debolezza del TTP nel trasporto di segnali digitali. I progettisti originali del TTP non avevano previsto che il sistema potesse trasportare segnali digitali ad alta larghezza di banda e molte delle caratteristiche della connessione TTP, pur essendo perfettamente adeguate per i segnali telefonici analogici, limitano significativamente la qualità della trasmissione ad alta larghezza di banda. Alcune di queste sono:
l'attenuazione, che aumenta drasticamente con l'aumentare della frequenza;
il rumore e la diafonia. Gli effetti di accoppiamento di altre coppie sullo stesso cavo o di altre fonti ambientali (come i trasmettitori radio) possono causare rumore, così come la diafonia tra le coppie e, più comunemente, tra il trasmettitore e il ricevitore alle due estremità del cavo;
il cortocircuito. Quando le linee telefoniche vengono disconnesse, le coppie intrecciate non vengono fisicamente rimosse ma lasciate non terminate. Quando nuovi utenti vengono collegati al circuito, anche queste coppie non terminate possono trasportare parte del segnale, causando riflessioni verso il trasmettitore. In alcune reti degli operatori, fino al 30% di tutte le connessioni utente include almeno una presa bridged, che, pur non impedendo le connessioni analogiche, influisce seriamente sulla connessione DSL.
Tecnologia DMT: la chiave per la velocità ADSL.
Lo specifico sistema multicarrier utilizzato in ADSL e VDSL, denominato "DMT" (Discrete Multi-Tone), si è dimostrato particolarmente efficace nel superare queste limitazioni. Il principio alla base del DMT è che le limitazioni si manifestano in modo diverso in diverse parti dello spettro di frequenza. Il rumore influisce solo su alcune frequenze; l'attenuazione varia con la frequenza e anche gli effetti di riflessione e diafonia dipendono dalla frequenza. Se una piccola parte della banda è limitata, ciò influisce sull'intero segnale. Per questo motivo, invece di inviare un singolo segnale a banda larga ad alta velocità, il DMT utilizza un gran numero di segnali (o canali) a banda stretta e a bassa velocità. Il rumore e la distorsione che si verificano in un sottocanale non possono influenzare gli altri.
Il DMT può assumere diverse forme. Qui viene descritto nella sua versione "normale" ADSL, che utilizza 249 canali indipendenti. Tutti i canali vengono inviati e ricevuti insieme nella stessa operazione (la trasmissione utilizza una Trasformata di Fourier Veloce inversa, mentre la ricezione utilizza una Trasformata di Fourier Veloce) tramite elaborazione digitale del segnale. Sebbene ciò richieda un'enorme potenza di calcolo, queste funzioni sono attualmente svolte da chip VLSI adattati a un costo relativamente basso.
In ADSL, ogni singolo sottocanale è trattato come un'entità separata e trasporta da 0 a 15 bit di informazione per periodo di segnale (baud). Tecnicamente, utilizza la modulazione di ampiezza in quadratura (QAM) con codifica a traliccio. Un "baud" corrisponde a un cambio di stato della linea (periodo di segnale o simbolo) al secondo. Con 4000 simboli di dati al secondo, la velocità di trasmissione in DMT è, ovviamente, molto bassa. Durante l'inizializzazione, il ricetrasmettitore ADSL analizza ogni sottocanale per determinarne la qualità e le caratteristiche. Assegna quindi un numero di bit (tra 0 e 15) a ciascuno, in base alla sua qualità.
In ADSL, le velocità descritte sopra per i canali si traducono nelle seguenti velocità massime di trasmissione dati:
- Caricamento: 25 canali * 15 bit/simbolo/
canale * 4 Kbaud = 1,5 Mbps
- Download: 249 canali * 15 bit/simbolo/
canale * 4 Kbaud = 14,9 Mbps
I sistemi ADSL validi offrono una velocità di download massima compresa tra 6 e 9 Mbps.
DSL ad altissima velocità (VDSL):
Come spiegato nell'articolo precedente, la presenza di un armadio contenente apparecchiature DSL attive lungo il percorso del cavo esistente aumenta significativamente la velocità riducendo la distanza tra la centrale e l'utente. Il cavo in rame di uplink (multicoppia) viene sostituito con una coppia di fibre ottiche, lasciando intatta la connessione in rame dell'utente. Il cavo più corto può supportare frequenze molto più elevate ed è meno soggetto a interferenze.
Avendo una larghezza di banda di frequenza maggiore rispetto all'ADSL, il VDSL utilizza più sottocanali e guadagna velocità anche aumentando la velocità di simbolo (il VDSL-2 utilizza 8 kbaud). L'elaborazione del segnale più veloce necessaria è ora disponibile a un costo relativamente basso. Il VDSL-2, attualmente la tecnologia più avanzata, opera su distanze relativamente brevi, tra 350 metri e 3 km, a velocità fino a 100 Mbps in entrambe le direzioni. Inoltre, il VDSL-2 è compatibile con le apparecchiature ADSL e ADSL-2 esistenti degli utenti (requisito essenziale). Ciò consente agli operatori di aggiornare le proprie apparecchiature ADSL al VDSL-2 senza richiedere agli utenti di apportare alcuna modifica. Naturalmente, gli utenti non potranno beneficiare delle nuove velocità se non aggiorneranno le proprie apparecchiature.
Prossimi passi: VDSL o PON?
La maggior parte dei paesi sviluppati sta assistendo a una domanda sempre crescente di accesso a Internet ad altissima velocità in case e aziende, e soddisfare questa domanda è fondamentale per il loro sviluppo economico. La domanda dei consumatori è destinata a crescere vertiginosamente con l'introduzione della distribuzione televisiva in un periodo di cambiamenti rivoluzionari. Allo stesso tempo, e non sorprende, la domanda di un accesso affidabile al servizio telefonico tradizionale rimane forte come sempre. Sebbene le reti ADSL e altre connessioni in rame abbiano raggiunto enormi incrementi di velocità, non sono più adeguate a supportare l'evoluzione di questi servizi. L'utilizzo della fibra ottica, in una forma o nell'altra, rappresenta un'altra valida soluzione tecnica al problema, sebbene sia necessario tenere conto del costo della fibra ottica. Nelle aree in cui esistono ancora connessioni TTP in rame fino al cliente, una soluzione FTTN (fibra fino al nodo) che utilizza la tecnologia VDSL per gli ultimi 350-1000 metri è generalmente la soluzione più economica. Laddove sia necessario installare nuove infrastrutture, i sistemi PON (Passive Optical Network), e in particolare GPON, offrono una soluzione immediata, completa ed economicamente vantaggiosa, con capacità aperta per futuri sviluppi. Il prossimo articolo di questa serie si concentrerà sui sistemi PON.
Autore: Patrick Gahwiller. Responsabile dei rapporti con i partner, R&M.
