Premessa
La telefonia è un sistema di telecomunicazione che consente lo scambio, fra due corrispondenti, di informazione a voce riproducendo, tramite due dispositivi situati ai terminali della linea, i segnali acustici relativi alla parola.
Il primo a realizzare, nel 1871, un telefono efficiente fu A. Meucci, ma la possibilità di parlare su distanze accettabili si ebbe con il sistema a microfono e auricolari uguali, di tipo elettrodinamico, brevettati da A. G. Belle ancor più con il microfono a lamina vibrante su scodellino riempito con polvere di carbone inventato da D. E. Hughes nel 1877. Da allora le cose sono molto cambiate: al posto delle primitive centrali a connessione manuale si è passati alle centrali elettromeccaniche, prima, ed alle centrali elettroniche completamente automatiche, poi. Inoltre l’avvento delle trasmissioni satellitari consente, ormai, di superare qualsiasi distanza con comunicazioni telefoniche di buona qualità.
In particolare, negli ultimi anni, stiamo assistendo ad una nuova e più profonda metamorfosi del sistema di telecomunicazioni, con una migrazione dalle reti a commutazione di circuito a quelle a commutazione di pacchetto ed, in special modo, alle reti basate sul protocollo IP.
Reti a commutazione di circuito (PSTN)
La prima trasmissione della voce, effettuata da A. G. Bell, è stata ottenuta nel 1876 tramite una chiamata su circuito. Si parla di chiamata su circuito quando non si devono comporre i numeri in quanto vi è un cavo che connette fisicamente i due apparecchi in comunicazione. Fondamentalmente una persona solleva la cornetta telefonica e parla con la persona posta all’altra estremità del circuito (quindi senza nessuno squillo).
Nel tempo questo semplice modello si è evoluto da una trasmissione di voce monodirezionale (in cui poteva parlare un solo utente) in una trasmissione di voce bidirezionale, in cui potevano parlare entrambi gli utenti. Per trasferire la voce via cavo era necessario un microfono a carbonio, una batteria, un elettromagnete e un diaframma metallico.
Inoltre era necessario un cavo che connettesse fisicamente ogni posizione con la quale l’utente poteva voler comunicare. A quel tempo non esisteva ancora il concetto di composizione di un numero per raggiungere una determinata destinazione.
Si immagini di stendere un cavo tra ogni utente che richiede un accesso telefonico e si vedrà ben presto che una configurazione di questo tipo non è nè economicamente né praticamente realizzabile.
A causa dei problemi di costi e dell’impossibilità di impiantare un cavo tra tutti gli abitanti del pianeta che vogliono avere un telefono, è stato sviluppato un altro meccanismo in grado di collegare qualsiasi telefono a qualunque altro telefono. Grazie a questo dispositivo, la centrale di commutazione, l’utente avrà bisogno unicamente di un cavo connesso ad un’unica centrale di commutazione.
Inizialmente le funzioni di centrale erano svolte da un operatore. Facendo un salto di un secolo, il centralinista è stato sostituito da centrali elettroniche.
Segnali analogici e digitali
Tutto ciò che si può udire, inclusa la voce umana, ha un formato analogico. Anche se le comunicazione analogiche sono l’ideale per le interazioni umane, non rappresentano un modo né solido né efficiente per eliminare i rumori presenti in una rete (causati normalmente dall’introduzione di scariche di elettricità statiche). Nelle prime reti telefoniche, la trasmissione analogica passava attraverso amplificatori di segnale, ma questa operazione non amplificava solo la voce ma anche il rumore presente sulla linea. Spesso il rumore presente sulla linea rendeva inutilizzabile la connessione.
La comunicazione analogica è in funzione del tempo e dell’ampiezza. Se ci si trova lontani dalla centrale di comunicazione, può essere necessario impiegare un amplificatore della trasmissione analogica. Il rumore di linea può distorcere la forma d’onda analogica fino a provocare una ricezione difficoltosa. Questa distorsione aumenta quando fra il proprio apparecchio e la centrale di commutazione si trovano più amplificatori. Si osservi che un amplificatore non pulisce il segnale ma semplicemente intensifica il segnale già distorto dal rumore. Questo passaggio attraverso più amplificatori di segnale vocale provoca l’accumulo del rumore.
Codifica di un segnale analogico in digitale
Nelle reti digitali, il rumore di linea rappresenta un problema di minore entità poiché i ripetitori non solo intensificano il segnale ma ne ripristinano la condizione originaria. Ciò è possibile grazie al fatto che nelle comunicazione digitali il segnale è rappresentato da sequenze di 0 e 1. Sostanzialmente la funzione principale del ripetitore (un amplificatore digitale) è solo quella di decidere se rigenerare un 1 o uno 0.
Pertanto, quando i segnali vengono ripetuti, si rinvia un segnale pulito. Quando divennero evidenti i vantaggi di questa rappresentazione digitale, le reti telefoniche hanno adottato la modulazione PCM (Pulse Code Modulation – modulazione a impulsi codificati).
La modulazione PCM rappresenta il metodo di codifica più comune di un segnale vocale analogico in sequenze digitali di 0 e 1. Tutte le tecniche di campionamento usano il teorema di Nyquist che, fondamentalmente, stabilisce che per ottenere una trasmissione di buona qualità del suono si deve eseguire il campionamento al doppio della massima frequenza presente sulla linea.
Linee locali e circuiti fra centrali telefoniche
L’infrastruttura telefonica è costituita dalla coppia di fili di rame che giunge in ogni abitazione. Questo tipo di cablaggio fisico è chiamato linea locale (o local loop). La linea locale connette fisicamente il telefono alla centrale telefonica (chiamata centrale telefonica terminale). Il percorso di comunicazione fra la centrale telefonica e la propria abitazione è la linea telefonica è normalmente si basa sulla linea locale.
Il percorso di comunicazione che unisce due centrali telefoniche si chiama circuito di collegamento.
Normalmente le centrali telefoniche sono disposte in modo gerarchico. Ogni centrale telefonica si interconnette tramite circuiti di collegamento a centrali telefoniche intermedie. Le centrali intermedie locali sono a loro volta connesse a centrali intermedie di livello più elevato.
Una gerarchia di centrali telefoniche
Piani di numerazione PSTN
Una funzionalità che è lentamente cambiata nel tempo è il piano di numerazione. L’aggiunta di linee secondarie per l’accesso ad Internet, di telefoni cellulari e di fax ha provocato un relativo esaurimento dei numeri telefonici.
NANP è un piano di numerazione di 11 cifre composto da tre parti: il prefisso NPA (Numbering Plan Area), il codice di centrale (NXX) e il numero di stazione. Questo piano viene normalmente chiamato NPA-NXX-XXXX.
I codici NPA usano il seguente formato: NXX, dove n è un valore composto tra 2 e 9 ed X è un valore compreso tra 0 e 9. Il sistema NANP viene anche chiamato 1 +10 poiché quando il primo numero composto è 1, sarà seguito da un codice NPA-NXX-XXXX di 10 cifre.
La raccomandazione ITU-T E.164, specifica che per indiziare una chiamata a un determinato abbonato venga specificato il codice di paese (CC- Country Code), il codice di destinazione nazionale (NDC – National Destination Code) e il numero dell’abbonato (SN – Subscriver Name). Il codice di paese è costituito da una, due o tre cifre. La prima cifra (da 1 a 9) definisce le zone di numerazione mondiale.
I codici NDC e SN hanno una lunghezza variabile a seconda delle esigenze del paese. In nessun caso si possono eccedere le 15 cifre. Anche se i piani di numerazione possono non sembrare estremamente importanti in questo momento, sono fondamentali per l’attivazione e l’implementazione del Voice over IP o delle reti tradizionali a commutazione di circuito.
I difetti delle reti a commutazione di circuito (PSTN)
Anche se le reti PSTN sono efficaci e svolgono i modo adeguato il loro lavoro, molti gestori intendono sostituirle con reti dove la voce è solo una delle applicazioni operanti su una rete di dati. Ciò sta accadendo per vari motivi.
I dati hanno superato la voce come traffico principale in molte reti realizzate per la voce. La trasmissione dati attualmente opera su reti realizzate per trasportare in modo efficiente la voce, ma i dati hanno caratteristiche differenti ad esempio un uso variabile dell’ampiezza di banda e la necessità di impiegare un’ampiezza di banda più elevata. Ben presto le reti per la voce opereranno su reti realizzate secondo un approccio basato sui dati. Il traffico verrà differenziato sulla base delle applicazioni e non dei circuiti fisici. Per creare le reti ad alta velocità necessarie per trasportare tutti questi dati aggiuntivi verranno usate nuove tecnologie (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e reti ottiche).
Le reti a commutazione di circuito non sono in grado di creare e fornire le funzionalità con la dovuta rapidità. Le reti PSTN si basano su un’infrastruttura in cui solo il produttore del dispositivo è in grado di sviluppare le applicazioni per esso. Questo significa che vi è un solo sviluppatore di soluzioni per tutte le esigenze. E’ molto difficile che una sola società possa rispondere a tutte le esigenze dei propri clienti.
Un’infrastruttura più aperta e flessibile in cui più produttori possono fornire applicazioni, consente di diffondere software applicativo più creativo. Inoltre è impossibile con l’attuale architettura consentire a più produttori di scrivere nuove applicazioni per reti PSTN.
Le informazioni Dati/Voce/Video non possono convergere sulle attuali reti PSTN. Utilizzando unicamente la linea analogica disponibile in molte abitazioni, è impossibile avere un accesso ai dati (Internet), un accesso telefonico e un accesso video con un modem da 56 kbits. Per consentire questa convergenza è necessario un accesso a larga banda ed ad alta velocità come ad esempio un linea digitale (DSL – Digital Subscriber Line) via cavo o wireless.
L’architettura realizzata per la voce non è sufficientemente flessibile per la trasmissione dei dati. E’ anche importante notare che le chiamate a commutazione di circuito richioedono l’esistenza di un circuito dedicato a 64 kbits fra i due telefoni. Questa connessione non può essere utilizzata da altri. Ciò significa che la compagnia telefonica non può utilizzare questa ampiezza di banda per altri scopi e deve fatturarla a chi consuma queste risorse. Al contrario, le reti per dati offrono la possibilità di utilizzare l’ampiezza di banda solo nel momento in cui è richiesta. Questa differenza che può anche sembrare trascurabile, è uno dei principali vantaggi delle rete per voce basate su pacchetti.