Obiettivi formativi
Gli obiettivi del corso, in termini di conoscenza e comprensione, sono i seguenti:
- fornire allo studente una panoramica sui principali sistemi di telecomunicazioni, con particolare attenzione alle comunicazioni digitali.
Le capacità di applicare le conoscenze e comprensione elencate sopra risultano
essere in particolare:
- comprendere il principio di funzionamento di un sistema di telecomunicazione a partire dalla sua architettura.
- comprendere i compromessi progettuali di un sistema di telecomunicazione.
Prerequisiti
E' consigliata una conoscenza della teoria della probabilità, sebbene i principali concetti verranno rivisti durante il corso.
Contenuti dell'insegnamento
Introduzione ai sistemi di telecomunicazione. Il modello ISO-OSI. Caratteristiche di propagazione del canale radio. Metodi di accesso (con assegnazione fissa delle risorse e a contesa). Rumore di comunicazione. Comunicazioni digitali. Dimensionamento di rete cellulare. Evoluzione dei sistemi cellulari da 2G a 5G. Comunicazioni wireless.
Programma esteso
LEZIONE 1: Introduzione. Presentazione del corso. Panoramica delle telecomunicazioni. Contesto storico. Reti ad hoc.
LEZIONE 2: Decibel. Scala dB in ampiezza e in potenza. Perdite di collegamenti. Collegamenti amplificati.
LEZIONE 3: Trasmissioni radio. Perdita di spazio libero. Fading. Richiamo di teoria dei segnali. Soluzioni al fading. Probabilità di fuori servizio. Margini di trasmissione. Comunicazioni satellitari. Orbite, Bande frequenziali. Principali problemi delle comunicazioni satellitari e alcune soluzioni.
LEZIONE 4: Modello ISO-OSI. Concetto di strato. Panoramica sugli strati con esempi. Protocol data unit. Service data unit.
Strato fisico. Trasmissione simplex, half- e full-duplex. Strato data-link. Byte-stuffing per la costruzione dei frame. Livello di rete. Commutazione di circuito e di pacchetto.
LEZIONE 5: Ulteriori strati ISO-OSI. Strato di trasporto. Strato di sessione. Strato di presentazione. Strato di applicazione. Protocollo TCP/IP,
LEZIONE 6: Comunicazioni digitali. Richiamo di teoria dei segnali: densità di probabilità, distribuzione gaussiana, trasformata di Fourier.
Segnale digitale. Confronto con segnali analogico. Struttura di un sistema di comunicazione. Codifica di sorgente e di canale. Problemi delle comunicazioni digitali. Mappatura: bit e simboli.
LEZIONE 7: Comunicazioni digitali. Modulazione digitale lineare. Impulsi di supporto. Banda. Confronto tra impulsi rettangolari e a sinc.
Modulazione in banda passante. Modulazione di ampiezza.
LEZIONE 8: Banda di guardia. Modulazione di fase e di frequenza. Amplitude shift keying, phase-shift keying, frequency-shift keying. Bit rate e symbol rate. Componenti in fase e quadratura. Costellazioni.
LEZIONE 9: Demodulazione analogica. Demodulazione parte in fase e quadratura. Ricezione digitale. Soglia di decisione. Canale rumoroso.
LEZIONE 10: Rumore. Richiamo di teoria dei segnali: funzione di auto-correlazione e densità spettrale di potenza (PSD). Rumore termico. PSD del rumore termico. PSD monolatera e bilatera. Rumore bianco. Banda equivalente di rumore. Apparati rumorosi: temperatura equivalente di rumore. Rapporto segnale-rumore. Figura di rumore. Misura della figura di rumore.
LEZIONE 11: Decisione in presenza di rumore additivo gaussiano bianco (AWGN). Probabilità di errore in comunicazioni binarie. Funzione Q. Soglia di decisione ottima.
Rapporto segnale rumore e probabilità di errore. Sistemi rigenerativi.
LEZIONE 12: Decisioni con costellazioni multi livello. Impatto dell'alfabeto nella comunicazione. Legge di Shannon-Hartley. Capacità di canale. Esempio del canale additivo gaussiano. Importanza delle correlazioni.
LEZIONE 13: Codifica. Motivazioni e richiamo di teoria dei segnali: distribuzione binomiale. Codice a ripetizione. Regola di decodifica, Rivelazione e correzione di errore. Codice di parità. Codifica hard e soft (cenni).
LEZIONE 14: Risoluzione di esercizi.
LEZIONE 15: Risoluzione di esercizi.
LEZIONE 16: Livello MAC (medium access ccontrol). Strategie generali di accesso al mezzo. Frequency division multiple access (FDMA), time-division multiple access (TDMA), code-division multiple acess (CDMA). Modulazione a spettro espanso (spread spectrum). Direct sequence spectrum (DSS). Ricezione segnale DSS.
LEZIONE 17: Ricezione DSS (continuazione). Prestazioni DSS in presenza di segnale interferente, CDMA. Near-far problem. Generazione di sequenze pseudo-casuali.
LEZIONE 18: Confronto di capacità tra FDMA, TDMA e CDMA. Accesso causale. Problema della collisione. Tecnica aloha. Prestazioni.
LEZIONE 19: Slotted aloha. Carrier sense multiple access (CSMA). CSMA-CD: rilevazione collisioni. Problema della contesa di canale. Ethernet. Dispositivi di ethernet: hub, bridge, switch, router, gateway. Codifica dei bit Manchester. Strategia di backoff delle collisioni.
LEZIONE 20: Evoluzione di Ethernet. Tipi di cavi. Cavi in fibra ottica. Reti wireless. Standard IEEE 802.11. Frequency-hop spread-spectrum. Problema della stazione nascosta. CSMA-CA.
LEZIONE 21: Esempi di uso dei bridge. Panoramica sulle evoluzioni dello standard 802.11. Zero-forcing equalization. Multiple-input multiple-output (MIMO).
LEZIONE 22: Risoluzione di esercizi.
LEZIONE 23: Sistemi cellulari. Concetto di cella. Dimensionamento della cella. Fattore e frequenza di riuso. Handoff. Rapporto segnale-interferente in downlink. Cell sectoring.
LEZIONE 24: Standard cellulari: 1G, 2G, 2.5G, 2.7G, 3G, 4G, 5G. Modello di canale wireless. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM).
Bibliografia
- A. B. Carlson e P. B. Crilly, Communication Systems: an Introduction to Signals and Noise in Electrical Communication, Mcgraw Hill Higher Education, 5th edition, 2010. ISBN-13: 978-0071263320.
- A. S. Tannenbaum e D. Wetherall, Reti di calcolatori, Pearson, 5th edition, 2018, ISBN: 9788891908254
Testi di interesse:
- K. Pahlavan e Prashant Krishnamurthy, Principles of Wireless Networks: a Unified Approach, Prentice Hall (Communications Engineering and Emerging Technologies Series), 2001. ISBN-13: 978-0130930033.
- P. M. Shankar, Introduction to Wireless Systems, Wiley, 2001, ISBN-13: 978-0471321675.
- S. Haykin e M. Moher, Modern Wireless Communications, Prentice Hall, 2004. ISBN-13: 978-0130224729.
- F. Muratore (Ed.), UMTS: Mobile Communications for the Future, Wiley, 2001, ISBN: 0-471-49829-7.
- Rysay Research/3G Americas, HSPA to LTE-Advanced: 3GPP Broadband Evolution to IMT-Advanced (4G), September 2009.
Metodi didattici
Nel corso delle lezioni verranno esaminati i temi connessi a sistemi di telecomunicazione, come indicato nel programma. Si utilizzano sia slides che lavagna. Saranno svolti esercizi in aula, assegnati agli studenti in anticipo. Le slides del corso saranno disponibili sulla piattaforma Elly.
Nel caso la normale attività in classe non sia possibile causa della COVID-19, la didattica frontale sarà sostituita con delle video-lezioni disponibili su MS teams.
Modalità verifica apprendimento
Gli esami si svolgeranno in presenza e/o con modalità remota in base alle normative ed alle indicazioni di ateneo vigenti alla data dell'appello.
Il corso si avvale di una prova scritta nelle sessioni di esame, basata su esercizi e domande a risposta aperta.
Se non espressamente indicato, tutte le domande hanno lo stesso valore.
Altre informazioni
Il materiale didattico e di supporto alle lezioni verrà fornito in parte dal docente.
