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 utili in particolare per:
- 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. Rumore di comunicazione. Comunicazioni digitali. Fondamenti di teoria dell'informazione. Fondamenti di toeria dei codici. Metodi di accesso (con assegnazione fissa o dinamica delle risorse). Dimensionamento di rete cellulare. Evoluzione dei sistemi cellulari da 1G a 5G. Comunicazioni wireless.
Programma esteso
LEZIONE 1
Introduzione al corso
LEZIONE 2
Decibel. Proprietà dei decibel. Scale logaritmiche. Perdite e guadagni.
LEZIONE 3
Onda. Lunghezza d'onda. Perdita da spazio libero. Area efficace di una antenna. Fading. Fading di Rayleigh. Diversity. Interleaving e deinterleaving.
LEZIONE 4
Margini nelle comunicazioni. Fuori servizio.
Comunicazioni satellitari. Orbite. Bande satellitari. Principali problemi e soluzioni delle comunicazioni satellitari.
Modello ISO-OSI. Concetto di strato, incapsulamento. Esempio della spedizione di una lettera in chiave ISO-OSI.
LEZIONE 5
Modello ISO-OSI. Strato fisico, data-link, rete, trasporto, sessione, presentazione e applicazione.
LEZIONE 6
Protocollo TCP/IP. TCP e UDP. Confronto tra modello ISO/OSI e TCP/IP.
Comunicazioni digitali. Segnali analogici e tempo discreto. Segnali digitali. Struttura di un sistema di comunicazione. Codifica di sorgente e di canale.
LEZIONE 7
Segnali digitali modulati linearmente. Interferenza inter-simbolica.
Impulsi di supporto: confronto impulso sinc e rettangolare.
Banda. Segnale in banda base e passa-banda.
Modulazione in banda passante. Modulazione di ampiezza (AM).
LEZIONE 8
Frequency division multiplexing (FDM).
Modulazione di frequenza (FM) e di fase (PM).
Confronto AM, FM e PM.
Componenti in quadratura.
LEZIONE 9
Componenti in fase e quadratura.
Ricezione di un segnale: passaggio in banda base e demodulazione digitale.
Costellazioni multilivello.
Problema del rumore.
LEZIONE 10
Risoluzione esercizi.
LEZIONE 11
Risoluzione esercizio.
Rumore. Richiamo di teoria dei segnali (funzione di autocorrelazione, densità spettrale di potenza (PSD), varianza).
PSD bilatera e monolatera.
Esempi di rumore. Rumore bianco. PSD del rumore bianco. Rumore termico.
LEZIONE 12
Potenza di rumore. Banda equivalente di rumore.
Dispositivi rumorosi. Temperatura equivalente di rumore.
Figura di rumore.
Rapporto segnale rumore (SNR).
Canali rumorosi.
Probabilità di errore di un sistema binario. Probabilità condizionate.
LEZIONE 13
Funzione Q.
Calcolo probabilità di errore nel caso binario.
Regole di decisione con costellazioni multilivello.
LEZIONE 14
Sistemi rigenerativi.
Teoria dell'informazione. Proprietà dell'informazione. Entropia.
LEZIONE 15
Informazione mutua. Capacità di canale.
Legge di Shannon-Hartley. Capacità di Shannon.
Informazione media mutua. esempio per canale binario simmetrico.
LEZIONE 16
Codifica.
Codifica di sorgente, di canale, di linea.
Tasso del codice.
Codice a ripetizione. Rilevazione e correzione di errori di un codice a ripetizione. Probabilità di errore codificata.
Codice di parità.
LEZIONE 17
Guadagno di codifica.
Ridondanza del codice: legame con il tasso di informazione.
Accesso multiplo al mezzo. MAC e LLC.
Frequency division multiple access (FDMA), time-division multiple access (TDMA) e code division multiple access (CDMA).
Primi problemi del FDMA, TDMA e CDMA.
LEZIONE 18
Risoluzione esercizi.
LEZIONE 19
Risoluzione esercizi.
Direct sequence spectrum (DSS). Trasmettitore e ricevitore.
DSS con tono interferente.
CDMA. Problema della stazione lontana.
Confronto di capacità tra FDMA, TDMA e CDMA.
LEZIONE 20
Allocazione dinamica delle risorse.
Problema della collisione. Rendimento.
Aloha. Prestazioni dell'aloha.
Slotted-aloha.
Carrier sense multiple access (CSMA).
CSMA con rilevamento delle collisioni (CSMA-CD).
Probabilità di trasmissione con successo.
Ethernet. Dispositivi di Ethernet.
Codifica Manchester.
LEZIONE 21
Uso dei bridges nelle virtual LAN.
Strategia di backoff. efficienza del canale: tempo medio di attesa.
Cavi per ethernet: doppini intrecciati, fibre ottiche.
Fibre ottiche: ragioni dei vantaggi.
Fibre ottiche singolo modo e multimodo.
Reti wireless: problemi.
Frequency hop spread spectrum (FHSS). Fast FHSS.
Problema della stazione nascosta e della stazione esposta.
LEZIONE 22
Standard 802.11 delle reti wireless.
Multiple-input multiple-output (MIMO).
Reti cellulari. handover.
Celle. Concetto di riuso. Calcolo della distanza di riuso.
LEZIONE 23
Risoluzione di esercizi.
Rapporto segnale interferente in reti cellulari.
Standard 1G.
LEZIONE 24
Standard 2G, 3G, 4G, 5G.
Modello di canale con cammini multipli.
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.
