Sistemi LMDS - Marco Giovinazzi

Transcript

Investigazione generale su:
Sistemi
(Marco Giovinazzi)
LMDS
Tecniche
(Franco Di Mezza)
(Andrea D’Achille)
(Giulio Mezzana)
(Antonio Parisse)
FDD, TDD
TDM
TDMA
FDMA
Marco Giovinazzi | Giulio Mezzana | Andrea D'Achille | Franco Di Mezza | Antonio Parisse
Sistemi LMDS e Tecniche FDD, TDD, TDM,TDMA, FDMA
Sistemi LMDS e tecniche FDD, TDD, TDM, TDMA, FDMA
1. LMDS - Local Multipoint Distribution System ................................... 4
1.1 Introduzione al sistema ................................................................... 4
1.2 Architettura................................................................................... 6
1.2.1 Struttura e parti del sistema ....................................................... 6
1.2.2 Esempi di scelte architetturali ..................................................... 8
1.3 Tecniche di gestione del mezzo radio impiegate ............................... 10
1.3.1 TDD/FDD................................................................................ 10
1.3.2 Accesso multiplo e modulazione ................................................ 11
1.3.3 Capacità del sistema ................................................................ 14
1.3.4 Problematiche di propagazione radio.......................................... 16
1.4 Pianificazione della rete ................................................................ 18
1.4.1 Dimensionamento: Fattori da considerare................................... 18
1.4.2 Considerazioni sulla copertura cellulare ...................................... 18
1.4.3 Equipment dettagliato .............................................................. 20
1.4.4 Managment della rete .............................................................. 21
1.5 Conclusioni sul sistema ................................................................. 21
1.6 Un esempio: Ericsson MiniLink-BAS ................................................ 24
1.6.1 Introduzione ........................................................................... 24
1.6.2 Features................................................................................. 26
1.6.3 Struttura ................................................................................ 27
1.6.4 Esempi di tecnologie supportate ................................................ 29
2. TDD/FDD – Time/Frequency Division Duplexing ............................ 32
2.1 Generalità sulle Tecniche di Duplexing ............................................. 32
2.1.1 FDD – Frequency Division Duplex .............................................. 32
2.1.2 TDD – Time Division Duplex...................................................... 33
2.1.3 Orientamenti sulle due tecniche ................................................ 34
2.2 Valutazioni sulle tecniche in sistemi Punto-Multipunto ........................ 34
2.2.1 Efficienza Spettrale e Traffico Asimmetrico ................................. 35
2.2.2 Latenza .................................................................................. 36
2.2.3 Pianificazione delle frequenze radio e Interferenza....................... 37
2.2.4 Complessità dei sistemi ............................................................ 38
2.2 Conclusioni................................................................................... 40
3. Time Division Multiplex .................................................................. 43
3.1 Trasmissione TDM ......................................................................... 43
3.2 La trasmissione PCM...................................................................... 43
3.2.1 Principio della trasmissione PCM ................................................ 43
3.2.2 Caratteristiche della trasmissione PCM ....................................... 44
3.3 Multiplexer a divisione di tempo ...................................................... 47
3.3.1 Tipi di multiplexer TDM ............................................................ 47
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3.3.2 Esempi di TDM in banda fonica.................................................. 48
3.4 Costituzione della multitrama PCM .................................................. 50
3.4.1 Esempi di TDM di carattere e di bit ............................................ 53
3.5 Multiplexer a divisione di tempo statistici ......................................... 54
3.5.1 Funzionamento degli STDM....................................................... 55
3.5.2 Caratteristiche degli STDM........................................................ 56
3.6 Multiplazione numerica .................................................................. 57
3.6.1 Gerarchie di multiplazione ........................................................ 57
3.6.2 Formazione del multiplo a 8,448 Mbit/s ...................................... 58
4. Tecniche di accesso multiplo .......................................................... 59
4.1 Introduzione................................................................................. 59
5. Time Division Multiple Access (TDMA)............................................ 61
5.1 Cos’è........................................................................................... 61
5.2 Overview ..................................................................................... 61
5.3 Il vantaggio digitale ...................................................................... 63
5.4 Come funziona il TDMA .................................................................. 63
5.4.1 Pocesso.................................................................................. 64
5.5 TDMA avanzato............................................................................. 65
5.6 Efficienza Spettrale ....................................................................... 67
5.7 I vantaggi del TDMA ...................................................................... 68
5.8 Gli svantaggi del TDMA .................................................................. 70
5.9 TDMA versus CDMA....................................................................... 71
5.10 IS-136 Digital-Control Channel, aspetti, potenzialità ....................... 72
6 Frequency Division Multiple Access (FDMA) .................................... 74
6.1 Descrizione .................................................................................. 74
6.2 Multiplazione FDMA e Riutilizzo Delle Frequenze................................ 78
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1. LMDS - LOCAL MULTIPOINT DISTRIBUTION SYSTEM
1.1 INTRODUZIONE AL SISTEMA
LMDS è la tecnologia wireless point-to-multipoint a banda larga
usata per trasferire in modo bidirezionale voce, dati, traffico internet
e servizi video nella banda attorno ai 20 GHz. Per farlo utilizza una
architettura di rete analoga a quella del sistema cellulare,
con la
differenza di non fornire servizi mobili, ma fissi. L'acronimo sta a
significare:
• L (Local) - Denota che le caratteristiche di propagazione dei
segnali in questo spettro di frequenze limitano la potenziale
area di copertura di una singola cella. Un cella LMDS può
arrivare a coprire fino a circa 5 Km.
• M (Multipoint) - Indica che il sistema utilizzato è quello di
connessione point-to-multipoint, cioè un sistema in cui ci
sono più connessioni punto-punto ad una singola base
station.
• D (Distribution) - Si riferisce alla distribuzione dei segnali
che può consistere in voce, dati, video e altro, il tutto
simultaneamente.
• S (System/Service) - Implica accordi precisi tra il fornitore
del servizio e l'utente.
In passato i sistemi wireless punto-punto sono stati progettati e
utilizzati per offrire collegamenti ad alte velocità tra nodi ad alta
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densità di traffico in una rete. Questo tipo di approccio, però, non è
adatto a realizzare sistemi di accesso a servizi dedicati ad una
molteplicità di utenti; costi e requisiti hardware sarebbero ingestibili.
L'LMDS risolve il problema sfruttando tecniche di realizzazione di
rete molto simili a quelle dei moderni sistemi di diffusione cellulare,
permettendo la piena configurabilità del sistema in modalità puntomultipunto.
In questo modo è possibile fornire tutti i servizi elencati a utenti
autonomi appartenenti ad una stessa area territoriale. Inoltre, con
l'avvento delle moderne tecniche di connessione ad internet a banda
larga, dei servizi di videofonia e voice over Ip, l'LMDS risolve il
problema dell'ultimo miglio permettendo agli operatori di fornire
servizi innovativi direttamente agli utenti finali.
I benefici possono essere schematizzati in:
• Bassi costi di acquisto, installazione e gestione degli apparati
non paragonabili con quelli relativi alla rete 'wired'.
• Veloce
configurazione,
modifica,
upgrade
delle
caratteristiche di servizio e della pianificazione territoriale.
• Distribuzione degli accessi in base alla reale necessità
dell'area
coperta,
grazie
alla
completa
scalabilità
del
sistema.
• La gran parte delle entrate non deve ammortizzare la spesa
iniziale delle infrastrutture, come invece avviene per le reti
via cavo.
• Basso impatto sul territorio; gli impianti, date le ridotte
dimenisioni, una volta inseriti in un area metropolitana sono
praticamente invisibili.
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Un esempio di una rete in cui si usi LMDS è quella riportata in
figura:
Altro importante punto di forza dell'LMDS sta nel fatto che
nonostante sia altamente adatto ad essere configurato in modalità
punto-multipunto, è anche completamente compatibile e usabile
come sistema di accesso radio per comunicazioni dedicate puntopunto. Supporta inoltre sia il trasporto di dati asincrono, sia il
trasferimento dati a pacchetto (IP).
1.2 ARCHITETTURA
1.2.1 Struttura e parti del sistema
La struttura di una installazione LMDS si rifà per molti versi a
quella di un sistema cellulare. Forse il paragone più adatto, però, e
quello con le moderne Wireless Lan (802.11). Infatti, è possibile
identificare una parte di struttura che fa da punto di accesso e di
controllo e permette la connettività con altri sistemi (rete locale
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telefonica, rete cellulare, etc…) e più parti dislocate sul territorio che
fanno tutte capo allo stesso punto di accesso. Per essere più precisi,
generalmente una infrastruttura LMDS si compone di quattro parti
fondamentali.
• Network Operations Center (NOC)
Comprende il NETWORK MANAGEMENT SYSTEM (NMS) che
gestisce ampie regioni della rete. E' possibile l'interconnesione di più
NOC.
• Struttura di collegamento esterno
Comprende le connessioni con Internet e le reti pubbliche di
telefonia (ISDN, PSTN). Generalmente consiste in una rete ottica
sincrona (SONET) composta da portante ottica (OC-12, OC-3, DS-3)
e un apparato centrale (CO - Central Office).
• Base Station (BS)
Fornisce
la
conversione
tra
l'infrastruttore
fiber-based
e
l'interfaccia radio. Include le terminazioni della fibra, gli apparati di
modulazione/demodulazione, le unità di trasmissione e ricezione
radio a microonde (tipicamente posti su tetti di edifici o in specifici
poli). Sono possibili varie configurazioni dell'apparato. Per esempio
potrebbe includere funzioni di switching locale, permettendo così a
due utenti connessi ad una singola BS di dialogare senza che il flusso
di informazione raggiunga altri apparati. Questa configurazione
implica
che
funzioni
di
tariffazione,
registrazione e autenticazione
gestione
degli
accessi,
devono essere gestite localmente
all'interno della BS. In alternativa la BS può non avere funzioni
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aggiuntive (cioè il suo unico utilizzo è quello di tramite tra interfaccia
radio e fibra). Questo forza il traffico a terminare in un CO o in un
ATM-Switch localizzato all'interno della rete in fibra. Questo, inoltre,
non permette la comunicazione diretta tra utenti, ma permette di
gestire centralmente le funzioni di tariffazione, autenticazione, etc...
• Customer Premises Equipment (CPE)
Comprende la configurazione degli apparati, che varia a seconda
di quanto richiesto dall'operatore/Utilizzatore. Naturalmente ogni
configurazione comprende antenna radiante e infrastrutture fisse che
gestiscono interfacce e parametri di accesso ai mezzi trasmissivi. Il
CPE può usare i metodi di accesso alla rete TDMA, FDMA e CDMA, o
anche combinazioni di questi. Inoltre è possibile gestire tutte le più
comuni interfacce di trasferimento dati in commercio (10BaseT,
100BaseT,
Frame
Relay,
S-ATM
over
T1,
OC-1,3,
etc...).
L'utilizzazione di molteplici CPE rende possibile il dimensionamento
del sistema per svariati usi, dall'intera copertura di una area
metopolitana a quella di edifici residenziali o uffici.
1.2.2 Esempi di scelte architetturali
È possibile definire molte architetture per un sistema LMDS, fatto
che permette di adattarlo alle più svariate utilizzazioni. Ad esempio
si possono far coesistere sullo stesso sito la parte di antenna e la
parte di infrastruttura digitale. In questo modo si può offrire una
copertura circolare utilizzando antenne omnidirezionali o dividendo
l'area in settori e usare antenne direttive, soluzione sempre più
spesso usata per i benefici che porta in termini di rapporto segnale
rumore.
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In alternativa si possono connettere diversi punti-antenna ad una
stessa
BS,
utilizzando
collegamenti
in
fibra.
Seppure
questo
approccio permetta di avere costi ridotti (singola BS), di offrire
migliore copertura, di incrementare la condivisione di risorse digitali
su aree molto vaste, di ridurre la settorizzazione, in alcune
configurazioni territoriali trova difficoltà nell'essere usato, a causa
della più complicata installazione dei collegamenti e della reperibilità
dei siti.
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1.3 TECNICHE DI GESTIONE DEL MEZZO RADIO IMPIEGATE
1.3.1 TDD/FDD
La bidirezionalità nei sistemi LMDS è realizzata attraverso l'uso di
tecniche di duplexing in tempo o in frequenza (TDD/FDD). La scelta
tra le due è effettuata in base al tipo di servizi e di traffico che
l'apparato deve gestire e ad una serie di fattori come il costo,
l'efficienza spettrale, etc... . Come prima considerazione, la TDD si
presta molto meglio ad un tipo di traffico adattivo, in quanto i canali
sono allocati al loro effettivo utilizzo e possono essere facilmente
variati; in questo modo è possibile anche concentrare i dati in uno
spettro più piccolo (guadagno statistico). Al contrario, se si deve
coprire un tipo di utenza che richiede banda dedicata, l'FDD potrebbe
risultare la scelta ottimale, allocando staticamente i canali. Il vero
problema, però, è l'uso di risorse radio da parte delle due tecniche.
Infatti la TDD richiede un canale contiguo ed è capace di trasmettere
trame di traffico con piccoli intervalli di guardia utili alla loro
distinzione; al contrario la FDD richiede due spettri simmetrici
separati da una consistente banda di guardia, requisito che non può
essere sempre soddisfatto. Questo risulta essere un notevole
vantaggio per la prima, perchè rappresenta una maggiore flessibilità
nell'adattamento alle variazioni di frequenze allocate. Se si considera
poi che l'architettura di un sistema che sfrutta il duplexing a
divisione di tempo è notevolmente più semplice di uno che usa
quello in frequenza, data la minor presenza di catene di filtraggio
(diplexer, etc...), è chiaro il motivo per cui il TDD è oggi la soluzione
più usata dai produttori di apparati punto-multipunto LMDS.
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1.3.2 Accesso multiplo e modulazione
L'accesso multiplo nei sistemi wireless LMDS è realizzato con tre
principali tecniche: TDMA, FDMA, CDMA. Oggi le più utilizzate delle
tre sono TDMA e FDMA, o una loro combinazione. Le configurazioni
utilizzate sono molte.
Un esempo potrebbe essere quello di utilizzare per il downstream
(BS -> Utente) un canale condiviso multiplato a divisione di tempo
(TDM) e per l'upstream (Utente -> BS) un canale ad accesso
multiplo che utilizza la tecnica FDMA.
Altro esempio potrebbe essere quello di utilizzare uno schema
ibrido, in cui
per il
downstream sia presente lo stesso canale
multiplato TDM dell'esempio precedente, mentre in upstream alcuni
utenti utilizzano un canale FDMA, altri sfruttano un altro canale
condiviso con tecnica TDMA.
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Come si vede, l'LMDS offre una vastissima gamma di possibili
combinazioni, essendo progettato per offrire la massima connettività
e il più adeguato dimensionamento. La scelta e l'uso delle tecniche di
accesso multiplo e di multiplazione dei flussi dati deve allora essere
proporzionata al tipo di utenti e di servizi che devono essere
soddisfatti e al tipo di risorse a disposizione, considerando tutti i
fattori che regolano l'efficenza del sistema.
Se si richiede al sistema di gestire una grande quantità di
connessioni dati dedicate, allora la scelta più adeguata potrebbe
essere quella di utilizzare l'FDMA, che offre la possibilità di allocare
semplicemente banda dedicata (cosa che gli utenti pagano...),
ottimizzando il sistema per avere basse variazioni nel tempo.
Nel caso in cui, invece, le connessioni internet da gestire siano di
diverso tipo, per esempio alcune su linea analogica, altre a banda
larga, ma di tipo xDSL, in cui il traffico in downstream è
sensibilmente più alto di quello in upstream, e in cui comunque non
si raggiungono i requisiti di velocità delle connessioni dedicate, allora
la soluzione più conveniente potrebbe essere quella di utilizzare la
TDMA comprimendo un gran numero di utenti in un singolo canale
condiviso.
Altri fattori di scelta sono:
Efficenza di “Burstiness”:
• Il TDMA si adatta al traffico e alloca risorse se realmente
richieste.
• L'FDMA
è
sempre
attivo;
le
risorse
sono
allocate
staticamente.
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Utilizzo di procedure di Medium Access Control (MAC) in ambiente
Wireless:
• Nel TDMA l'efficenza del MAC dipende direttamente dal tipo
e dalla quantità di frammentazione nel traffico, con un range
del 65-90%.
• Nell'FDMA non si richiede MAC, permettendo di avere una
efficenza del 100%.
Efficenza di canale:
• TDMA:
80-85%,
considerando
l'uso
più
ampio
di
segnalazione.
• FDMA: 100%
Forward Error Correction (FEC) (in %):
• TDMA: 75-85%
• FDMA: 91%
Massimo Data Rate:
• Il TDMA offre il massimo data rate disponibile sul canale,
potendo frazionare la banda più efficentemente.
• L'FDMA offre Data Rate costanti secondo quanto richiesto
dagli utenti, ma non riuscendo a sfuttare tutto il canale.
Per
quanto
riguarda
la
modulazione,
i
possibili
schemi
di
modulazione nei sistemi lmds sono basati generalmente sulle
tecniche PSK (Phase Shift Keying – Modulazione numerica di fase) e
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QAM (Quadrature Amplitude Modulation – Modulazione numerica di
ampiezza in quadratura). I principali schemi utilizzati sono riportati
nella tabella seguente:
Nome
Schema di Modulazione
Banda richiesta per
una connessione CBR
a 2Mbps1
B-PSK
Binary PSK
2.8 MHz
DQ-PSK
Differezial QPSK
1.4 MHz
Q-PSK
Quaternary PSK
1.4 MHz
8-PSK
Octal PSK
0.8 MHz
4-QAM
QAM 4-State
1.4 MHz
16-QAM
QAM 16-State
0.6 MHz
64-QAM
QAM 64-State
0.4 MHz
Tutti gli schemi sono utilizzabili con TDMA e FDMA, tranne il 64QAM, che a oggi può essere impiegato solo in configurazioni di
accesso multiplo a divisione di frequenza.
1.3.3 Capacità del sistema
Per determinare la capacità di un sistema LMDS l'approccio più
semplice è quello che fa riferimento a due indici di valutazione: la
capacità del flusso dati (Data Rate) e il massimo numero di CPS
(Customer-Premises Sites). Vengono presentati esempi relativi alle
configurazioni di accesso tramite le modalità TDMA e FDMA.
Capacità del sistema: FDMA
Per calcolare la Data Rate Capacity del sistema, si usa la formula:
C a p a c ità del sistem a
1
N u m ero d i C elle
C a p a c ità sin g o la C e lla
Questi valori sono approssimati, data la quantità di fattori che intervengono nella loro stima e la loro variabilità.
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C a p a c ità sin g o la C e lla
N u m e ro d i settori
C a p a c ità d i settore
Facendo riferimento a differenti tipi di modulazione, la capacità di
settore può essere espressa in termini di efficenza spetrtale dello
schema, per cui:
Capacità singola C e lla
N u m ero d i settori
E fficenza Spettra le dello schem a
Facendo riferimento a valori tipici di efficenza dello schema di
modulazione e ad un contesto in cui si hanno a disposizione 1000
Mhz di spettro utilizzabile con un fattore di riuso pari a 2, quindi 500
Mhz di spettro utilizzabile dalla singola cella, e supponendo i due
fronti di trasmissione simmetrici, la seguente tabella riporta i valori
di capacità del sistema e il massimo numero di siti dedicati all'utenza
(CPS - Customer Premises Sites), valore rappresentato dalla voce
'Numero di collegamenti possibili':
Banda
Modulazion
disponibile
e
per settore
250 Mhz
2
Efficenza
Spetrtale
dello
schema
4-QAM
1.5 b/s/Hz
16-QAM
3.5 b/s/Hz
64-QAM2
5 b/s/Hz
Banda
riservata ad Numero di
collegamenti
ogni
collegament
possibili
o
5 MHz
250 : 5 = 50
Capacità sito
utente
Capacita totale del
sistema su un singolo
fronte (up/dwn)
5 • 1.5 = 7.5 Mbps
50 • 7.5 = 375 Mbps
5 • 3.5 = 17.5 Mbps
50 • 17.5 = 875
Mbps
5 • 5 = 25 Mbps
50 • 25 = 1250 Mbps
Lo schema di modulazione 64-QAM, richiedendo più alti valori di SNR, è indicato per collegamenti a breve distanza
(terminali utente molto vicini alla BS). Risulta perssochè inutilizzabile in siti dedicati alla copertura di vaste aree
urbane.
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Capacità del sistema: TDMA
Per quanto riguarda la Data Rate Capacity, uno schema TDMA
riduce l'efficenza circa dell'80% rispetto all'FDMA. Inoltre, non è
possibile usare lo schema 64-QAM. Questa perdita di densità di
traffico è però compensata dal vastissimo numero di utenti che un
singolo sito utente può sostenere. Infatti, se prendiamo l'esempio
precedente, in cui erano disponibili 250 Mhz per fronte ed utilizzando
canali TDMA da 5 Mhz, dato che uno solo di questi canali può gestire
circa 80 connessioni a 64 Kbps (ISDN – Single Channel), risulta che
l'intero sistema possa sostenere il traffico di 4000 di queste
connessioni simultaneamente. Questo, naturalmente, se si decide di
dimensionare il sistema su un valore di concentrazione utenticollegamenti
di
1:1.
In
un
contesto
urbano,
il
valore
di
concentrazione che si prende in considerazione è di 4:1 o anche 5:1.
Tutte queste connessioni, però, devono essere in un raggio di 5 Km
dal sito utente, dato che la copertura di un sistema LMDS raggiunge
al massimo questo ordine di distanze.
1.3.4 Problematiche di propagazione radio
L'LMDS basandosi sull'utilizzo dell'interfaccia radio soffre di tutti i
fenomeni di attenuazione del segnale di natura ambientale, che sono
propri di questo mezzo. Questi effetti sono tutti di natura aleatoria;
la loro analisi e la loro modellizzazione è di estrema importanza per
progettare un sistema funzionante secondo specifiche determinate a
priori (o espressamente richieste dall'acquirente). Possiamo elencare
le principali categorie:
• Pioggia. I sistemi LMDS sono molto suscettibili alla pioggia.
Trasmettendo attorno alla banda di 28 Ghz, ogni singola
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goccia d'acqua che si muove e attraversa il percorso del
segnale costituisce una superficie riflettente. L'attenuazione
provocata dal transito di migliaia di queste gocce è molto
alta, e fa si che il segnale risulti incomprensibile in ricezione.
La pioggia, infatti, alle frequenze di lavoro del sistema causa
depolarizzazione del segnale, attenuazione e conseguente
aumento dell'interferenza tra cella e cella. Nonostante ci
siano numerosissimi studi sugli effetti della pioggia sulle
trasmissioni
radio,
molti
modelli
e
molti
schemi
di
trattamento del problema, l'esperienza in sistemi cellulari
punto-multipunto (concetto particolarmente giovane) non è
molta. Oggi si stanno conducendo molti studi che hanno
come oggetto i disturbi relativ alla pioggia, al fogliame, etc...
• MultiPath. Contrariamente a quello che si può pensare, il
fenomeno dei cammini multipli non costituisce un problema
per i sistemi LMDS. Questo perchè per prima cosa, le
antenne radianti sono collocate su tetti di edifici, riducendo
la presenza di ostacoli nell'ara di trasmissione. Inoltre
operando a quelle frequenze (28-30 Ghz), il segnale è
fortemente dipendente dal cammino 'a vista' (LOS - Line Of
Sight); per questo diffrazione e offuscamento non sono così
forti come per le trasmissioni in bassa frequenza. Ancora, le
antenne utilizzate nei CPS sono fortemente direzionali, cosa
che riduce drasticamente i disturbi da cammini minimi.
Una volta individuati i disturbi maggiormente presenti nell'area di
installazione (sito con frequenti precipitazioni, area ad alta densità
edilizia, etc...) bisogna tener conto di questi nel progetto delle celle.
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1.4 PIANIFICAZIONE DELLA RETE
1.4.1 Dimensionamento: Fattori da considerare
Al momento della progettazione del sistema, bisogna definire le
caratteristiche del servizio. Per far questo bisogna tener conto di
molti fattori, alcuni dei quali sono:
• La percentuale dei clienti che richiedono il servizio nell'area
da coprire (Penetrazione del servizio).
• QoS – Qualità del servizio da offrire.
• Grandezza dell'area da coprire e massima distanza utile per
la connessione di nuovi utenti.
• Tipo di territorio. Se si tratta di un centro urbano fortemente
popolato,
allora
bisognerà
prevedere
la
possibilità
di
connessione di molti utenti, e dimensionare il sistema
adeguatamente.
• Costi e capitale che l'acquirente è disposto a investire.
Questi fattori intervengono anche nel dimensionamento delle
singole celle.
1.4.2 Considerazioni sulla copertura cellulare
Trattandosi di un sistema cellulare, il concetto principale è quello
di riuso delle frequenze. Questo, come per i sistemi wireless mobili
(GSM 900/1800, UMTS, etc...) rappresenta un mezzo per ottimizzare
il numero massimo di utenti sostenibili e la loro possibile densità.
Naturamente problematiche come l'handover o la gestione della
mobilità non sono presenti, trattandosi di un sistema fisso, cosa che
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semplifica molto il problema. Vengono utilizzate le seguenti tecniche
per la gestione del riuso:
• Riduzione
di
MultiPath
e
interferenza
intra-cellulare
attraverso l'uso di antenne fortemente direttive.
• Settorizzazione delle singole celle. In genere ogni cella viene
divisa in quattro settori coperti da quattro antenne con
direttività angolare di 90°. Questo permette al singolo
settore di avere a disposizione l'intera ampiezza di banda
dello spettro allocato.
• L'interferenza intra-cellulare è ridotta al minimo attraverso
l'utilizzo
di
polarizzazione
differente
in
celle
adiacenti
(Orizzontale – Vericale):
La massima ampiezza della cella è stimata a partire da:
1) Numero di collegamenti per cella.
2) Percentuale di fuori servizio richiesta.
3) Caratteristiche territoriali.
4) Tipo di modulazione adottata.
Per esempio, per la modulazione in quadratura bisogna tener conto
della costellazione scelta. Più grande è quest'ultima, più saranno maggiori
i requisiti di SNR, minore sarà il diametro di cella.
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1.4.3 Equipment dettagliato
Una volta definiti gli aspetti genererali del sistema, bisogna
definire la componentistica, i protocolli, la compatibilità tecnologica e
la connettività del singolo nodo.
Nello schema seguente sono rappresentati i componenti di un
possibile scenario LMDS:
U
S
E
R
S
CPE
U
S
E
R
S
BASE
STATION
RADIO
FREQUENCY
EQUIPMENT
CPE
U
S
E
R
S
CPE
OTHER
BS LINK
NETWORK
NODE
EQUIPMENT
RADIO FREQUENCY EQUIPMENT
Gestisce il sistema antenna e tutte le funzioni che regolano
l'utilizzo dell'interfaccia radio. Contiene il sistema di controllo di
potenza, il sistema transceiver e sistemi di instradamento segnali
dati dall'NNE ai CPE e viceversa. Può eseguire, inoltre, funzioni di
controllo e settaggio parametri sui singoli CPE.
NETWORK NODE EQUIPMENT
È
il
centro
processamento,
nevralgico
del
instradamento,
sistema
LMDS.
multiplazione,
Gestisce
il
demultiplazione,
compressione, rilevazione e correzione di errore, codifica, decodifica,
protezione, compressione dei segnali digitali. Può essere configurato,
20/81
inoltre, per il supporto di tutti i protocolli di largo utilizzo, e il
supporto e quelli futuri è dato dalla piena riconfigurabilità e
upgradabilità. Può gestire flussi di dati, video, voce, Internet. Può
supportare inoltre switching ATM. E' connesso direttamente con la
centrale operativa che instraderà i dati verso la specifica rete a cui
sono indirizzati.
CPE – Customers Premises Equipment
Sono posti all'altro capo dell'interfaccia radio e forniscono la
connettività ai singoli utenti. Può esserci anche solo un CPE (il
sistema LMDS è pienamente configurabile come punto-punto). I CPE
sono spesso divisi in parti, ognuna dedicata a svolgere specifiche
funzioni. In generale, il singolo 'gruppo' CPE contiene il transceiver, il
controllo d'antenna, funzioni di multiplazione e demultiplazione, le
varie interfacce che consentono la connettività (PSTN, ISDN,
10/100BaseT, etc...).
1.4.4 Managment della rete
L'intero sistema di managment della rete, inoltre, prevede
funzioni di controllo dei fault, controllo delle prestazioni, sicurezza,
accounting, configurazione. Può essere centralizzato o distribuito sui
singoli apparati. In entrambi i casi, se c'è la necessità di modificare i
parametri di sistema è possibile agire in remoto o direttamente sul
sito.
1.5 CONCLUSIONI SUL SISTEMA
Da quanto visto, i sistemi Wireless LMDS risultano avere molti
vantaggi rispetto alle connessioni “wired” oggi a disposizione. In
21/81
primo
luogo
le
tecnologie
alla
base
dell’LMDS
lo
rendono
estremamente veloce se comparato con i normali modem analogici
(PSTN Access), le linee digitali (ISDN Access), le linee X-DSL. I dati
in tabella e sul grafico ne forniscono una rappresentazione, pesata
con una stima delle velocità di molti sistemi “wired” oggi in
commercio.
PSTN 33,6
Mbps
0,0336
Mbyte/s
0,0042
PSTN56,6
0,0566
0,007075
ISDN-SC
0,064
0,008
ISDN-DC
0,128
0,016
CABLE MODEM
0,256
0,032
A-DSL
0,768
0,08
S-DSL
2,3
0,15
T1
1,544
0,193
E-1
2,048
0,256
T3
44,736
5,592
E-3
34,368
4,296
OC-3
155,52
19,44
LMDS
480
60
OC-12
622,08
77,76
OC-64
2400
300
PSTN 33,6
PSTN 56,6
ISDN-SC
ISDN-DC
CABLE MODEM
A-DSL
S-DSL
T1
E-1
T3
E-3
OC-3
LMDS
OC-12
Mbps
Mbyte/s
22/81
La gestione e l’efficienza d’uso della banda allocata risulta
ottimale, data la piena configurabilità in qualsiasi situazione di
utilizzo. La velocità dell’intero sistema è comparabile con quello delle
odierne connessioni con portante ottica che utilizzano fibra, pur
presentando il notevole vantaggio di non richiedere (o almeno solo in
parte) collegamenti fisici e di essere praticamente invisibile (le
antenne infatti hanno la caratteristica di avere piccole dimensioni) in
un contesto in cui la penetrazione della fibra non è ancora così
profonda da sostenere le esigenze degli utenti. Questo ne permette
l’utilizzazione in aree urbane di grandi dimensioni, interi edifici
dedicati a uffici, persino in siti storici o artistici dove sarebbe assurdo
intervenire con il cablaggio.
Queste
caratteristiche
rendono
l’LMDS
una
efficiente
ed
economica soluzione al problema dell’ultimo miglio, permettendo
anche alle moderne nascenti compagnie telefoniche e di servizi
internet di poter entrare nel mercato senza eccessivi costi di
investimento e di gestione (compresi accordi con altri operatori per
l’uso delle linee, uno degli aspetti di maggior costo) e di realizzare
subito guadagni per il servizio offerto, dato che l’installazione e la
configurazione del sistema è estremamente rapida e semplificata.
In definitiva,
l’LMDS si presenta come un sistema moderno,
economico, veloce, con una grande disponibilità di banda, capace di
fronteggiare qualsiasi richiesta di velocità. Questo ne giustifica la
grandissima
popolarità
(soprattutto
se
si
considera
la
sua
giovinezza) e ne prospetta un futuro di largo impiego in molti
contesti. Si presenta infatti come soluzione principale per rispondere
alle esigenti richieste di banda dell’utenza affari, ma anche per
soddisfare la continua sete di velocità del “popolo Internet”, in
23/81
continua espansione. Oltre a questo, con l’imminente nascita dei
nuovi servizi di telefonia mobile 3G (UTMS), l’LMDS è una soluzione
ideale per la realizzazione del back-haul di queste reti (trasmissione
interna).
1.6 UN ESEMPIO: ERICSSON MINILINK-BAS
1.6.1 Introduzione
L'uso della tecnologia LMDS è il modo più rapido per soddisfare la
pressante necessità delle imprese medie e piccole (le cosiddette
SME-Small Medium Enterprise) di usufruire di veri servizi a larga
banda. La richiesta di banda di questo tipo di utenza (SOHO – Small
Office Home Office) varia da alcune centinaia di Kbps a poco più di
24/81
un Mbps. Lo stesso tipo di servizio è oggi sempre più desiderato
dall’utenza privata, vista l’espansione di Internet di questi ultimi
anni. Insomma: la potenzialità dell'LMDS è enorme, poiché fornisce
rapidamente una larghezza di banda simile alla fibra, senza che
questa debba arrivare sino all'utente finale.
La soluzione LMDS Ericsson, il MINI-LINK BAS (Broadband Access
System),
è
un
sistema
di
accesso
radio
punto-multi-punto,
progettato per soddisfare le necessità di "accesso dell'ultimo miglio"
come
alternativa
rapida
alla
fibra
ottica
ed
economicamente
vantaggiosa; Soddisfa le necessità attuali e future delle SME di
applicazioni IP ad alta velocità e contemporaneamente supporta
efficientemente i servizi vocali. Il MINI-LINK BAS fornisce una
larghezza di banda comparabile con quella della fibra fino a 37 Mbps
per settore, combinando connessioni a richiesta con quelle dedicate.
La possibilità di allocare istantaneamente la capacità significa
avere a disposizione un supporto eccellente per il traffico IP e la
massima
utilizzazione
della
banda
disponibile.
Gli
utenti
con
specifiche necessità possono usufruire di una capacità dedicata, con
la possibilità di accedere in maniera prioritaria, quando necessario,
ad ulteriore banda.
Inoltre le connesioni radio di questo tipo consentono un "time to
market" ridottissimo e un'estrema adattabilità alle mutevoli esigenze
del mercato. Si può attivare il servizio rapidamente e aggiungere
nuovi clienti in poche ore o, al massimo, in pochi giorni. Grazie alla
capacità di Ericsson di fornire e installare enormi volumi di apparati a
microonde i tempi per la messa in esercizio sono rapidi e garantiti.
25/81
In aggiunta a questo, molti dei nuovi servizi saranno forniti
mediante reti mobili come, ad esempio, quelle di terza generazione
(3G). La parte trasmissiva di back-haul di queste reti, deve essere
progettata per supportare questo nuovo tipo di servizi a larga banda
basati sulla commutazione di pacchetto e la possibilità di allocare
dinamicamente grandi capacità (20-30 Mbit/s) tra le stazioni base è
un vantaggio fondamentale. Il MINI-LINK BAS supporta il trasporto
di servizi a larga banda dall'utente finale al fornitore di contenuti
mediante rete fissa o mobile, oppure tramite un mix di entrambe,
con velocità di picco di 37 Mbps. E’ anche possibile l’integrazione con
i tradizionali servizi a linee affittate, come ad esempio PBX e
tradizionali stazioni base GSM.
La soluzione è basata su una famiglia di prodotti punto-punto che
combinano l’uso di tecnologia delle reti cellulari, del trasporto a
microonde e ATM/IP.
Grazie all'uso di interfacce aperte e standardizzate, il MINI-LINK
BAS può essere integrato sia con prodotti IP e ATM di altri
costruttori, sia con le famiglie Ericsson di router IP e di switch ATM.
Il MINI-LINK BAS opera alle frequenze LMDS tra 24 e 31 GHz.
1.6.2 Features
Il MINI-LINK BAS (Broadband Access System) di Ericsson è un
sistema di accesso radio, compatto, modulare e flessibile, che
integra l'ultima tecnologia Ericsson nelle microonde, con i prodotti e
la
competenza
nell'ATM
e
nell'IP.
E'
costruito
per
fornire
un'eccezionale capacità di gestire traffico con servizi di classe
business.
26/81
Il sistema punto-multipunto è un'estensione del tradizionale MINILINK, un ponte radio caratterizzato da un MTBF (Mean Time Between
Failures) superiore a 30 anni.
Principali caratteristiche:
• Si
basa
su
celle
di
trasporto
ATM
e
su
schemi
TDM/TDMA/FDD
• Lavora nella banda dei 24-28 GHz
• Offre una veloce e completa allocazione dinamica della
capacità
• Offre una velocità complessiva di 37.5 Mbps
• Connettività utente con supporto di interfacce Ethernet
(10/100BaseT) e PDF (T1/E1)
• Utilizza
lo
schema
di
modulazione
C-QPSK
(Coherent
Quadratic Phase Shift Keying – Modulazione Numerica di
Fase Quaternaria con Demodulazione Coerente
1.6.3 Struttura
27/81
La struttura del MiniLink-BAS è la seguente:
• Nodo Radio (RN)
La parte indoor dei Nodi Radio (RN) è alloggiata in una mensola
radio (R-AAS) che raccoglie il traffico e fornisce le interconnessioni
all'interno dell'hub. La mensola di concentrazione (C-AAS) connette
diversi R-AAS e ne concentra il traffico. Il traffico telefonico può
essere flessibilmente terminato in entrambe le mensole o in una
dedicata all'emulazione di circuito (CE-AAS). Il traffico è allocato
dinamicamente tra gli utenti in configurazione punto-multi-punto,
garantendo un uso efficiente dello spettro disponibile mediante l'uso
della multiplazione statistica sull'interfaccia radio. Per utenti che
richiedono una capacità molto grande o sono molto distanti, il MINILINK BAS può esere usato anche per collegamenti punto-punto.
L'interconnessione tra le differenti unità e la rete dorsale è realizzata
mediante interfacce standard PDH e SDH.
• Terminale di Accesso (AT)
Il terminale di accesso (AT) supporta un'ampia gamma di servizi,
dal PBX all'interconnessione LAN-LAN e l'accesso veloce a Internet
mediante differenti tipi di interfacce come la E1/T1 (tramato e non
tramato) e la Ethernet 10/100 BaseT. L'apparato, installato nel sito
d'utente, è progettato con interfacce su schede plug-in per le diverse
tipologie di servizo richiesto. Nuovi servizi possono essere aggiunti
senza
interrompere
gli
altri.
La
possibilità
di
effettuare
l'aggiornamento e il download del software consente l'introduzione di
nuovi protocolli e servizi senza problemi.
• Sistema di Gestione
28/81
L'Element Manager (EM) si collega al sistema mediante un Control
Processor (CP) fornendo una gestione comune delle configurazioni
degli apparati, delle interconnessioni del traffico, degli allarmi e delle
prestazioni. Un'interfaccia SNMP con sistemi di gestione di livello più
alto consente la gestione dei guasti e delle prestazioni su tutta la
rete.
1.6.4 Esempi di tecnologie supportate
• Voce ad emulazione di circuito
Per un esercizio proficuo della rete è fondamentale una gestione
efficiente dei servizi vocali. Poiché l'obiettivo principale per il WBA
(Wireless Broadband Access) è la piccola e media impresa, si può
assumere un certo livello di traffico consolidato ai locali d'utente: la
soluzione per questo tipo di applicazione è l'uso di PBX convenzionali
o multiplatori primari come quelli della famiglia DIAMUX di Ericsson.
29/81
• Collegamento ad Internet
Vista l'importanza assunta da Internet, sia come luogo di scambi
commerciali, che come sorgente di informazioni, sia per le SME che
per gli utenti residenziali è diventato estremamente importante poter
disporre di un collegamento di alta qualità. Il MINI-LINK BAS fornisce
un eccellente "accesso all'ultimo miglio", che consente all'operatore
di ottimizzare le risorse di spettro mediante la condivisione dinamica
della banda tra gli utenti.
• Voce su IP
La soluzione di voce su IP con il MINI-LINK BAS è basata sulla
piattaforma
Ericsson
denominata
IP
Telephony
(IPT).
Questa
soluzione consente servizi su reti IP del tipo phone to phone, fax to
fax, phone to PC e PC to PC. Il vantaggio principale di usare la
soluzione di voce su IP è che IPT è più vantaggiosa della tradizionale
telefonia PSTN, poiche la voce su IP implica tecniche di compressione
vocale.
I
pacchetti
di
voce
su
IP
possono
,essere
gestiti
dinamicamente nel MINI-LINK BAS e ciò comporta una utilizzazione
efficiente della banda in aria.
30/81
• Interconnessione di LAN
Il MINI-LINK BAS può essere utilizzato per l'interconnessione di
LAN fisicamente separate su una WAN (ad esempio Internet). Il
servizio di interconnessione di LAN deve essere sicuro, vantaggioso
economicamente e scalabile, con la possibilità di differenziare la
qualità del servizio (QoS) offerto agli utenti finali.
31/81
2. TDD/FDD – TIME/FREQUENCY DIVISION DUPLEXING
2.1 GENERALITÀ SULLE TECNICHE DI DUPLEXING
Le tecniche di duplexing hanno come obiettivo la gestione della
bidirezionalità
dei
collegamenti
radio
(Upload/Download);
si
differenziano dalla metodologia con cui è utilizzata la risorsa radio, in
particolare, si opera nel tempo o nella frequenza.
2.1.1 FDD – Frequency Division Duplex
La
frequency
division
duplex
agisce
sulla
frequenza.
In
particolare, ad ogni canale viene assegnata una propria banda in cui
è possibile la trasmissione. La FDD necessita di due canali identici,
per il suo funzionamento; un canale è necessario per il downstream
(ovvero per trasmissione dalla stazione all’unità remota) e l’altro per
upstream (ovvero per la trasmissione dall’unità remota verso la
stazione).Chiaramente, affinché il sistema funzioni è necessario
garantire in frequenza la separazione delle risorse co-allocate, in
modo tale da non avere interferenze tra le due trasmissioni; questo
comporta l’inserimento tra le frequenze utilizzate di una banda di
guardia (Guard Band) come è illustrato nella figura seguente:
32/81
2.1.2 TDD – Time Division Duplex
La Time Division Duplex opera nel dominio del tempo. Al contrario
della FDD, utilizza un unico canale sia per il downstream che per
l’upstream . Si risolve il problema dell’interferenza imponendo il non
contemporaneo utilizzo della risorsa da parte del trasmittente e del
ricevente; i dati verranno trasferiti in un'unica direzione e dopo un
piccolo tempo di guardia necessario per il distaccamento degli
intercanali, che in genere varia tra i 50-200 µs, il canale potrà
trasmettere nella direzione opposta. Il processo viene descritto dalla
figura seguente:
33/81
2.1.3 Orientamenti sulle due tecniche
All’inizio, per le trasmissioni fisse senza filo punto–punto e puntomultipunto si è optato soprattutto per la soluzione FDD, data la
grande disponibilità di risorsa radio allocabile. Questo dava la
possibilità di poter allocare i due canali in modo paritario per la
trasmissione/ricezione e soprattutto garantiva un adeguata banda di
guardia tra i due (le frequenze venivano attribuite in blocchi).
Comunque,
nonostante
la
grande
disponibilità,
non
tutte
le
assegnazioni delle frequenze risultavano essere utilizzabili in maniera
ottimale dai sistemi FDD, a causa della banda di guardia da inserire
tra i due canali; ad esempio in alcuni sistemi LMDS, lavoranti intorno
ai 31 GHz, necessitavano di una banda di guardia di circa 225MHz
che risultava molto difficile da assicurare.
Si è incominciato allora a puntare a tecniche di divisione di tempo
(le TDD appunto), che per loro natura, come già detto, non
necessitano di bande di guardia di dimensioni elevate.
E’ proprio per tali motivazioni che le tecniche TDD risultano essere
una soluzione universale di utilizzo della risorsa, mentre le FDD
diventano una valida alternativa in quelle zone che possono
garantire certi livelli di frequenze di separazione.
2.2 VALUTAZIONI SULLE TECNICHE IN SISTEMI PUNTO-MULTIPUNTO
Le due differenti tecniche di duplexing possono essere valutate e
paragonate
suddividendo
tale
analisi
in
differenti
punti.
Naturalmente bisogna anche tener presente i già discussi requisiti di
spettro nei due casi.
34/81
2.2.1 Efficienza Spettrale e Traffico Asimmetrico
Un interessante aspetto su cui basare l’analisi sulle tecniche FDD
e TDD non può escludere la valutazione della loro efficienza spettrale
e sulla possibilità di avere traffico asimmetrico (cioè di poter
differenziare il traffico sui due canali o sull’unico canale nelle due
differenti fasi di downstream e upstream).
L’efficienza spettrale dipende da vari fattori come la modulazione
utilizzata e la stessa asimmetria del traffico. L’introduzione a tale
aspetto può essere fatta attraverso un esempio.
Ammettendo che la modulazione sia la stessa per entrambe le
tecniche di duplexing, tale da avere una portata di dati al netto della
segnalazione (Data Payload) di 1 bit per hertz, che si usino gli stessi
protocolli MAC, FEC etc, e ammettendo che sia la stessa anche
l’utilizzazione dello spettro per la banda di guardia, avendo due
canali da 25 MHz e ammettendo un tipo di traffico asimmetrico la
FDD riesce a garantire una capacità di 25 Mbps sia in downstream
che in upstream, ma la TDD potrebbe soddisfare questi requisiti con
un singolo canale da 25 MHz e una opportuna valutazione del
rapporto di concentrazione utenti/canali. Se però il traffico fosse
simmetrico, per coprire in entrambe le direzioni una capacità di 25
Mbps avremmo bisogno di due canali TDD e quindi occupare gli
stessi 50 MHz di spettro di cui necessiterebbe la tecnica FDD.
Quindi si nota che per un traffico simmetrico le due tecniche si
equivalgono. Le cose cambiano nel caso di traffico asimmetrico (che
è quello oggi maggiormente richiesto), in cui il flusso dei dati diventa
alquanto
imprevedibile,
in
quanto
risulta
essere
fortemente
dipendente dalle categorie di utenti che utilizzano canale (gli utenti
“Business” avranno richieste di banda consistenti in alcune fasce
orarie, gli hotel in altre, il privato in altre ancora, etc…). La TDD
riesce ad adattarsi facilmente a questo tipo di traffico e quindi ad
35/81
avere una utilizzazione migliore dello spettro rispetto alla FDD, che
necessita di una larghezza di banda assegnata staticamente. D’altro
canto, entrambe sono uguali e ottimamente performanti solo in caso
di perfetta simmetria di traffico. I vantaggi della TDD “adattiva”
rispetto alla FDD sono mostrati nalla seguente figura:
Dalla figura si può notare come per un rapporto di concentrazione
utenti/banda (3:1) in caso di traffico asimmetrico la TDD avrà una
efficienza maggiore del 50%, percentuale che arriva circa al 70% per
un rapporto di (5:1).
2.2.2 Latenza
Altro parametro molto importante (soprattutto nelle reti “wireless”
ad accesso fisso) è la latenza, in quanto un eccessivo ritardo dei dati
provocherebbe, in particolar modo in trasmissioni che richiedono
prestazioni di tipo “Real Time”, gravi danni nei flussi continui (di bit).
36/81
Comunque tale latenza risulta essere poco influenzata dall’utilizzo di
una o dell’altra tecnica, dato che dipende fortemente dalla lunghezza
delle trame gestite dal MAC (Medium Access Control), dalla
larghezza di banda (bandwidth) e dal processo di temporizzazione
del
MAC.
Attualmente
sono
in
corso
numerosi
studi
sull’ottimizzazione di questo protocollo per trasmissioni wireless.
2.2.3 Pianificazione delle frequenze radio e Interferenza
Nel processo di pianificazione delle frequenze radio devono essere
presi in considerazione molti fattori al fine di controllare e alleggerire
le interferenze tra i trasmettitori (siamo in un contesto puntomultipunto). Sebbene le tecniche TDD e FDD siano completamente
differenti, molte delle considerazioni che seguono sull’interferenza
sono comuni a entrambe. In particolar modo, quando si usa TDD con
sincronizzazione a livello di trama, la suscettibilità all’interferenza è
della stessa entità per entrambi.
I tipi di interferenza sono essenzialmente due:
1) Interferenza da COESISTENZA
Può essere di due tipi. La prima si ha per la presenza in una
stessa area geografica di più operatori con spettri di frequenze
assegnati adiacenti. In questo caso l’interferenza si può avere tra
due sistemi TDD adiacenti o tra due sistemi FDD adiacenti, o ancora
tra un TDD e un FDD. Per difendersi da questo tipo di interferenza si
potrebbe considerare l’eventualità di utilizzare un’addizionale banda
di guardia. Questa strategia può essere utilizzata indistintamente da
entrambe le tecniche; tipicamente le bande di guardia imposte non
superano i 28 MHz. La seconda si ha quando due operatori si trovano
37/81
ad
avere
assegnato
lo
stesso
spettro
di
frequenze
in
aree
geografiche adiacenti. Questo problema è comune sia alla TDD che
alla FDD, e si cerca di risolverlo attraverso l’uso di limiti sulla densità
di potenza dello spettro e attraverso la cooperazione tra i due
operatori.
2) Self-Interference
E’ l’interferenza che si ha tra i singoli apparati di uno stesso
operatore all’interno dell’area di servizio coperta. Il sistema utilizzato
potrebbe essere sia il TDD sia l’FDD e nonostante un operatore
possa
scegliere
di
utilizzarli
entrambi
in
una
singola
area,
usualmente si opta per uno dei due. In questo tipo di interferenza
bisogna
tener
conto
sia
della
interferenza
co-canale,
sia
dell’interferenza di canali adiacenti.
Per eliminare o almeno attenuare questo tipo di interferenza
generalmente si utilizzano con entrambi i tipi di duplexing tecniche di
settorizzazione delle frequenze e di discriminazione di polarizzazione
(in pratica si suddivide l’area in sub-aree e si impone sub-aree
adiacenti utilizzino diverse frequenze o diversa polarizzazione). In
più per la TDD la sincronizzazione della trama può essere utilizzata
per controllare gli intervalli di tempo nei quali un canale è utilizzato
per trasmettere o ricevere.
2.2.4 Complessità dei sistemi
Dal punto di vista dei requisiti di banda, data la maggiore
semplicità nella pianificazione delle frequenze e per la ridotta banda
di
guardia,
un
sistema
di
comunicazione
radio
a
microonde
progettato per la TDD risulta essere considerevolmente più semplice.
38/81
Nella valutazione della complessità del sistema, e quindi del suo
costo (che in genere risulta essere direttamente proporzionale ad
essa), bisogna considerare le tecnologie di filtraggio da utilizzare.
Nella tecnica FDD un notevole fattore di complessità risulta essere
il Diplexer, filtro che evita che il ricevitore (altamente sensibile) sia
disturbato dagli alti livelli in trasmissione.
Ad esempio per un livello di trasmissione di +20dBm ed una
soglia di sensibilità per la modulazione QPSK di –80dBm (avendo
assunto un livello di rumore di circa -90dBm) sarebbe necessario
progettare il sistema affinché si raggiunga un isolamento di almeno
110dB. Ma questo obiettivo è diffide da raggiungere in un sistema
che trasmette su microonde in spettri di frequenza molto vicini.
Dalla figura si può vedere tutto ciò:
Questa separazione tra la trasmissione e ricezione non è richiesta
in sistemi che utilizzano la TDD, visto che in questo caso si trasmette
e si riceve il segnale in tempi diversi. Inoltre l’architettura TDD
39/81
progettata per una particolare banda di frequenze risulta essere
molto facilmente adattabile ad un’altra.
Da quanto detto finora saremmo portati a ritenere che la tecnica
di duplexing a divisione di tempo sia in assoluto la migliore da
implementare,
soprattutto
perché
utilizza
un
solo
spettro
di
frequenze continuo. Ma questa non è una generalizzazione valida, in
quanto a seconda dei requisiti da soddisfare si potrebbe optare per
diverse configurazioni delle due tecniche. In particolare, se l’esigenza
è di avere la massima capacità disponibile in entrambi i canali, la
complessità del sistema nel caso in cui si usi il TDD è maggiore, e
quindi l’uso della FDD potrebbe essere la soluzione più adeguata.
In fase di progettazione, allora, è molto importante valutare con
attenzione il tipo di servizi e di risorse che devono essere gestite, in
modo da stabilire qual delle due tecniche sia più adatta del punto di
vista della complessità del sistema.
2.2 CONCLUSIONI
Appare chiaro che il sistema TDD nell’ambito dei sistemi puntomultipunto sia la scelta più adeguata. Le principali caratteristiche
motivazioni di questa affermazione possono essere riassunte nel
seguente schema:
• Adattamento alla variazione delle frequenze allocate:
In tale campo, la tecnica TDD ha un chiaro margine di vantaggio
sulla FDD. Inoltre la maggiore semplicità dell’architettura TDD fa sì
che per essa risulti essere meno complesso e soprattutto meno
costoso,
all’occorrenza,
riadattare
il
tutto
ad
una
diversa
assegnazione di banda.
40/81
• Efficienza spettrale ed asimmetria di traffico
Visto che il traffico delle reti si sta indirizzando sempre più verso
un traffico di dati, tale flusso risulta essere caratterizzato da una
certa imprevedibilità (mentre nel caso del traffico simmetrico sia le
variazioni a breve termine così come quelle a lungo termine risultano
essere prevedibili). La TDD per la sua capacità di adattamento
attraverso
la
variabilità
nell’asimmetria
di
traffico,
offre
una
soluzione che permette di assicurare una ottima efficienza spettrale
indipendentemente dal traffico trasportato.
• Latenza
L’efficienza MAC e la lunghezza delle trame hanno un’importanza
dominante sulla latenza e risulta essere, a parità di queste, identica
per entrambi le tecniche.
• Coesistenza
Nel caso non vi sia coordinazione tra gli operatori confinanti sui
canali adiacenti, sia la FDD che la TDD, richiedono una discreta
banda di guardia.
• Auto-interferenza
Attraverso la sincronizzazione delle trame la TDD e la FDD
risultano avere la stessa interferenza risultante. Le chiavi di progetto
che hanno impatto sull’interferenza dovuta a canali adiacenti e a
quella dovuta alla co-allocazione del canale per entrambe le tecniche
sono la progettazione del sistema terminale, dell’antenna terminale
41/81
e della maschera spettrale del canale. Da quando la sincronizzazione
delle trame con la TDD si è potuta sviluppare su una base canale per
canale, si sono potuti ottenere i benefici della simmetria adattiva.
• Complessita’ dei terminali
L’architettura radio della TDD risulta essere molto più semplificata
dal fatto che non deve essere soddisfatto lo stringente isolamento
richiesto tra la trasmissione e la ricezione (cosa del tutto necessaria
nella FDD). Questa è la motivazione per cui l’implementazione della
tecnica TDD è generalmente più semplice della FDD.
• Requisiti di risorse
Un sistema TDD può provvedere alla stessa capacità di picco di un
sistema FDD con la stessa ampiezza di banda per canale e con lo
stesso schema di modulazione, ma la TDD ha bisogno del doppio
numero di risorse radio per assicurare la stessa capacità media. Per
il resto, esistono varie opzioni di riuso delle frequenze con la TDD
visto che i canali non sono staticamente assegnati come invece
accade per la FDD. Inoltre le risorse radio TDD risultano essere
meno complesse e potenzialmente meno costose.
42/81
3. TIME DIVISION MULTIPLEX
3.1 TRASMISSIONE TDM
Il sistema di trasmissione TDM, o Time Division Multiplex, è
caratterizzato dal fatto che ad ogni comunicazione sono assegnati intervalli
di tempo, di durata e periodicità prestabilita; fra un intervallo e l'altro,
relativi ad una comunicazione, sono convogliati sulla stessa linea segnali
relativi ad altre conversazioni. La tecnica TDM più usata è la modulazione
PCM (Pulse Code Modulation); qui viene esaminata sotto gli aspetti che più
specificamente interessano i sistemi telefonici.
3.2 LA TRASMISSIONE PCM
3.2.1 Principio della trasmissione PCM
Nella trasmissione PCM il segnale fonico è campionato e codificato
in una successione di impulsi binari; negli intervalli fra i gruppi di
impulsi relativi ad una conversazione sono inseriti gli impulsi delle
altre conversazioni.
In Fig. 1 è riportato un esempio semplificato di trasmissione PCM;
in essa i canali da campionare sono solo tre ed i livelli di
quantizzazione sono otto. Gli istanti di campionamento to, t1, t2 ...,
egualmente intervallati nel tempo, sono determinati in base al
teorema di Shannon: la minima frequenza di campionamento è 2
fmax, se fmax è la massima frequenza contenuta nel segnale.
All'istante to viene prelevato un segnale v1; il livello quantizzato più
vicino è 010 e quindi viene trasmessa la successione di impulsi 010,
tenuto conto che ai livelli 0 e 1 corrispondono, rispettivamente,
assenza e presenza di impulso. Il successivo campione del segnale
43/81
v1 è prelevato all’istante t3, determinato in base al teorema di
Shannon. Nell'intervallo di tempo fra le serie di impulsi relative al
segnale v1, vengono trasmessi gli impulsi corrispondenti ai segnali
v2 e v3.
In ricezione i treni di impulsi relativi ad ogni canale vengono
separati e riconvertiti nel segnale analogico; sono essenziali la
precisione nel tempo e la sincronizzazione.
3.2.2 Caratteristiche della trasmissione PCM
Nella trasmissione PCM il segnale fonico viene campionato con
una frequenza di 8 kHz; infatti la banda di un canale è compresa fra
O kHz e 4 kHz e di conseguenza, per il
teorema di Shannon, il
campionamento deve avvenire con una frequenza minima di 8kHz.
L'intervallo fra due campionamenti successivi dello stesso segnale è
quindi di 1/8000 = 125 µs. In questo intervallo è inserito un gruppo
di canali detto fascio PCM; esso consta generalmente di 32 canali, di
cui 30 per le comunicazioni e 2 di servizio. Come si è visto al
precedente, ogni segnale viene quantizzato; in pratica, però, la
quantizzazione non avviene come in Fig. 1, con differenze di livello di
valore costante, ma le differenze fra due livelli successivi sono
maggiori per segnali più ampi, come riportato in Fig. 2. L'operazione
è detta compressione del segnale ed è necessaria per mantenere
costante la distorsione, al variare dell'ampiezza del segnale. Infatti il
processo
di
quantizzazione
consiste
nell'attribuire
al
segnale
campionato il livello quantizzato più vicino. Ad esempio, in Fig. 2
all'istante t1 è attribuito al segnale il livello b, con un errore di
quantizzazione che è pari al massimo alla metà della differenza di
quantizzazione:
(a - b)/2.
44/81
V1
111
110
101
100
011
010
001
000
t
V2
111
110
101
100
011
010
001
000
t
V3
111
110
101
100
011
010
001
000
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t
t
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
t
Fig. 1 Principio della trasmissione PCM
45/81
Se le differenze fossero costanti, l'errore percentuale sarebbe più
elevato per segnali piccoli; l'aumento delle differenze di livello per i
segnali più ampi (d – c > b - a) consente di rendere l'errore
percentuale di quantizzazione relativamente costante.
Il segnale è quantizzato in 28 livelli, e quindi è codificato in una
successione di impulsi, detta parola, di otto bit; il numero di bit per
parola, come il numero di canali, dipende peraltro dalle applicazioni
della trasmissione PCM. Il sistema PCM offre il vantaggio di una
buona immunità dal rumore. Infatti in un sistema di comunicazione
PCM vengono inseriti ripetitori che rigenerano gli impulsi ricevuti e li
ritrasmettono esenti dal rumore; il segnale all'uscita di ogni
ripetitore ha la stessa qualità del segnale originario, naturalmente
purché il mezzo di trasmissione non abbia un rumore cosi alto da
modificare il livello degli impulsi.
V
d
c
b
a
t1
t2
t
Fig. 2 Compressione del segnale
46/81
3.3 MULTIPLEXER A DIVISIONE DI TEMPO
La tecnica TDM (Time Division Multiplexing: multiplexing a
divisione di tempo) si basa sulla possibilità di trasmettere in
sequenza campioni di diversi segnali contemporanei: si fondono i
flussi dei dati, detti a bassa velocità, di più terminali in un unico
flusso a velocità più alta, detto ad alta velocità.
Un multiplexer a divisione di tempo può essere paragonato ad un
commutatore, ad ogni posizione del quale corrisponde un canale, e
quindi un segnale da trasmettere all'uscita; se il commutatore ruota,
vengono portati all'uscita periodicamente campioni dei diversi canali.
3.3.1 Tipi di multiplexer TDM
I multiplexer TDM possono essere di due tipi, a seconda che
vengano multiplexati i singoli bit (interallacciamento di bit o TDM di
bit) o gruppi di bit (interallacciamento di carattere o TDM di
carattere). Nel caso di interallacciamento di bit, ciascun canale è
collegato all'uscita del multiplexer durante l'intervallo di tempo di un
bit (ad esempio 20 ms, se la velocità di trasmissione è 50 bit/s). Nel
caso invece dell'interallacciamento di carattere, il canale viene
portato all'uscita per tutto il tempo in cui è presente un carattere (ad
esempio, un carattere di 7,5 bit, di cui 1 bit di start, 5 bit di dato e
1,5 bit di stop, richiede 150 ms, se la velocità di trasmissione è di 50
bit/s).
3.3.1.1 Vantaggi della TDM di carattere
È possibile trasmettere in linea solo i bit dell'informazione,
eliminando nel buffer di ingresso del multiplexer i bit di start e di
47/81
stop
(aggiungendoli
ovviamente
all'arrivo,
nel
demultiplexer):
l'efficienza di uso della linea è maggiore.
La perdita di sincronizzazione comporta un errore solo di un
carattere.
3.3.1.2 Vantaggi della TDM di bit
Il tempo di ritardo introdotto dal multiplexer è basso, in quanto
all'ingresso ed all'uscita del multiplexer deve essere memorizzato
solo un bit.
I canali sono campionati ad intervalli più brevi (nella TDM di
carattere, prima che il multiplexer ritorni a campionare un canale,
trascorre un intervallo di tempo elevato, corrispondente a più
caratteri) e questo garantisce un migliore funzionamento dei circuiti.
La memoria buffer del multiplexer deve memorizzare solo un bit
all'ingresso, e non un carattere, e quindi è meno costosa.
In conclusione, la TDM di bit è pertanto più conveniente nel caso
di trasmissione sincrona, in cui, non essendoci segnali di start e di
stop, si perde il vantaggio principale della TDM di carattere.
3.3.2 Esempi di TDM in banda fonica
Nella TDM vengono trasmessi blocchi di bit di lunghezza identica,
detti trame o frame; ogni trama è suddivisa a sua volta in intervalli
di tempo, o time slot, aventi tutti la stessa lunghezza. Un esempio di
TDM per segnali in fonia è il PCM a 2048 kb/s del CCITT
(Rec.G.732). In esso la trama è composta di 256 bit e l'intervallo di
trama è di 125 µs; la velocità di trasmissione è quindi di 2048 kb/s.
48/81
La scelta di un tempo di trama di 125 µs consente, per il teorema di
Shannon, un campionamento di ogni canale ad una frequenza di 8
kHz, doppia della frequenza più alta della banda fonica (4 kHz). Il
segnale di ogni canale viene quindi campionato ogni 125 µs.Questo
intervallo di tempo è suddiviso in 32 intervalli, in ciascuno dei quali
sono trasmessi 8 bit, relativi ad un campione di ogni canale; ciò
consente la quantizzazione del segnale in 256 livelli. I canali
trasmessi in effetti sono 30:
• all'inizio della trama, nel time slot 0, sono trasmessi 8 bit di
sincronizzazione;
• nel time slot 1 - 15 sono trasmessi i canali 1 - 15, con 8 bit
per campione;
• nel time slot 16 è trasmessa una segnalazione di 8 bit
(canale di segnalazione);
• nel time slot 17 - 31 sono trasmessi i canali 16 - 30.
La velocità di trasmissione su ogni canale è di 64 kb/s.
Le raccomandazioni CC1TT della serie G riguardano i sistemi
multiplex.
Le velocità raccomandate sono 1544 kb/s (USA) e 2048 kb/s per i
multiplex primari; rispettivamente 6312 kb/s e 8448 kb/s per i
multiplex del secondo ordine; rispettivamente 32067 kb/s e 44736
kb/s, 34368 kb/s e 139264 kb/s per i multiplex di ordine superiore.
49/81
3.4 COSTITUZIONE DELLA MULTITRAMA PCM
Nel sedicesimo time-slot è prevista l’emissione delle segnalazioni
relative ai canali. Premesso che le segnalazioni, per loro natura non
hanno bisogno di codificazione in quanto sono completamente
definite dalla presenza o assenza di segnale, andando a leggere col
tempo di bit (490 ns), la segnalazione relativa al canale n, si
possono pertanto avere solo due possibilità: presenza (bit 1) o
assenza di segnale (bit 0).
Dato che il sedicesimo time-slot contiene 8 bit, se assegnamo ad
ogni canale un bit di segnalazione ci vorranno 4 trame per leggere le
segnalazioni di tutti e 30 i canali fonici e pertanto si ritornerà a
leggere la segnalazione di ciascun canale ogni 125 x 4 = 500 µs, cioè
con una frequenza 2 Kbit/s.
Ricordando ad esempio l'emissione delle cifre da parte di un
utente:
Durata bit 0/1 di circa 0,1s
Intervallo di emissione delle cifre è > 0,3 s
Se la porta di segnalazione venisse aperta ogni 500 µs, cioè ogni
0,5 ms, l'emissione di una cifra, della durata di circa 0,1 s, verrebbe
letta ben 200 volte. Tale ridondanza è inutile e si è stabilito di ridurla
di 1/4 adottando una, frequenza di ripetizione di 0,5 Kbit/s
corrispondente a un tempo di 2 ms. La lettura della segnalazione di
un canale si ripeterà pertanto ogni 16 trame. L'insieme delle 16
trame si chiama multitrama.
In
pratica
nel
MUX
PCM
vengono
portati
due
fili
per
la
segnalazione, denominati A via veloce e B via lenta. Nel tempo di
50/81
multitrama il filo A viene letto 2 volte (ogni millisecondo) e il filo B
una volta (ogni due millisecondi).
Nell' IT16 delle trame da T1 a T15 vengono inseriti i valori delle
segnalazioni dei canali Ai ; Bi ; Ai+7; Ai+16 ; Bi+16 ;Ai+23. I bit 4 e 8
vengono posti a 1 per successive applicazioni. Si noti ancora come il
filo A, via veloce del canale 1, venga testato due volte nell'arco della
multitrama; precisamente nella trama 1 e nella trama 9, mentre il
filo B, via lenta, una sola volta nella trama 1. Questo è valido per
tutti e 30 i canali fonici.
51/81
1
2
3
T1
4
1
2
3
4
X0011011
0
X 1 S1 X X X X
1
X0011011
0
T0
5
5
7
8
T4
8
T6
T7
2 ms
T8
T9
T10
T11
IT16 della sola trama T0.
Parola di allineamento di
multitrama
0 0 0 0 1 S2 X 1
X0011011
IT16 della trama T13.
Bit Ai e Bi di segnalazione
così per tutte le trame da
T1 a T15.
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
28 29 30 31
IT0 della trama dispari T13.
trama.
7
IT0 delle trame dispari.
trama per le trame pari da
1 a 15
6
T5
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
28 29 30 31
T3
IT0 delle trame pari.
trama per le trame pari da
0 a 16
6
T2
MULTITRAMA = 16 trame
T12
T13
T14
T15
Fig. 3 – Costituzione della multitrama
52/81
La fig. 3 mostra l'organizzazione completa della multitrama:
Nell'
IT0
di
tutte
le
trame
vengono
scritte
le
parole
di
allineamento di trama: X0011011 per le trame pari e X1S1XXXXX per
le trame dispari. I bit X per alcuni sistemi vengono posti a 1 ed S1
contiene l'informazione di allarme a ritroso in caso di perdita di
sincronismo.
Nell' IT16 della sola trama T0 è inviata la parola di allineamento di
multitrama così composta 00001S2X1. Il bit S2 è inviato a ritroso in
caso di perdita di allineamento della multitrama, mentre il bit X può
essere usato per trasmissioni dati a velocità massima di 500 bit/s.
Nell' IT16 delle trame da T1 a T15 sono inviati i bit di segnalazione
relativi ai canali fonici secondo la legge Ai , Bi , Ai+7 , 1, Ai+16 , Bi+16 ,
Ai+23 , 1.
In tutti gli altri intervalli di tempo sono inseriti i bit dei canali
fonici.
3.4.1 Esempi di TDM di carattere e di bit
In un esempio, un sistema TDM di carattere a 2400 bit/s può
essere realizzato mediante trame di 120 bit, di durata 50 ms; ogni
trama è suddivisa in intervalli di tempo di 10 bit; il primo intervallo
non è relativo a nessun canale, ma ha la funzione di carattere di
sincronizzazione,
in
modo
che
il
multiplexer
di
arrivo
possa
riconoscere l’inizio della trama. L'intervallo di tempo può avere un
numero di bit superiore al numero di bit del carattere; il bit
supplementare, a seconda del suo livello, può segnalare se il
carattere è un dato o un carattere di segnalazione.
Se i dati sui canali da multiplexare hanno velocità diverse, si
sceglie la lunghezza della trama in relazione al canale a più bassa
velocità di trasmissione; ai canali aventi velocità più alta si
53/81
attribuiscono due o più intervalli di tempo. La TDM di carattere è
usata per multiplexare soprattutto canali asincroni, fino a 19,2 kb/s,
ma anche sincroni, fino a 64 kb/s, per realizzare collegamenti fino a
velocità di 100 kb/s.
Nel caso di TDM di bit, gli intervalli di tempo sono della durata di
un bit, anziché di un carattere. Ad esempio, un sistema a 19,2 kb/s
può essere realizzato mediante trame di 16 bit, di durata 0,83 ms;
ogni trama si compone di 16 intervalli di tempo di 1 bit. Se le
velocità
di
trasmissione
dei
canali
sono
diverse,
si
fanno
corrispondere diversi intervalli ad un medesimo canale; ad esempio,
se un canale a 2400 bit/s usa un intervallo di tempo, un canale a
4800 bit/s ne usa due. Per la sincronizzazione è usato il primo
intervallo di ogni trama; l'ultimo intervallo di tempo è utilizzato per il
controllo. La tecnica TDM di bit è usata particolarmente nel
multiplexer ad alta velocità, sincroni o anche asincroni; canali
asincroni fino a 19,2 kb/s e canali sincroni fino a 64 kb/s sono
multiplexati su linee con velocità fino a valori
3.5 MULTIPLEXER A DIVISIONE DI TEMPO STATISTICI
I Multiplexer a divisione di tempo statistici, detti anche STDM
(Statistical TDM) o SMUX (Statistical Multiplexer) o ITDM (Intelligent
TDM) o multiplexer asincroni a divisione di tempo, hanno la
caratteristica di permettere la multiplazione di canali con somma di
velocità di trasmissione superiore a quella all'uscita del multiplexer.
Sono sistemi TDM di carattere, in quanto nella trasmissione
asincrona è preferita la TDM di carattere. Gli STDM utilizzano gli
intervalli di tempo in cui i canali non sono attivi; infatti assegnano gli
intervalli di tempo della trama solo ai canali che, in un determinato
istante, sono attivi. Ciò consente di ottenere una efficienza più eleMarco Giovinazzi | Giulio Mezzana | Andrea D'Achille | Franco Di Mezza | Antonio Parisse
54/81
vata che nei multiplexer tradizionali. Negli istanti in cui diviene attivo
un numero di canali maggiore di quello consentito dalla velocità di
trasmissione, i caratteri dei canali in eccesso sono memorizzati e
trasmessi successivamente, quando si rende libero qualche intervallo
di tempo.
3.5.1 Funzionamento degli STDM
I multiplexer statistici funzionano nel modo seguente:
1) Dal carattere, che proviene dal canale a bassa velocità,
vengono tolti tutti i bit di start, stop e parità; essi verranno
aggiunti all'arrivo nel demultiplexer.
2) Il carattere può subire un'operazione di codifica, in modo
da attribuire ai caratteri più frequenti un numero inferiore
di bit e viceversa, un numero maggiore di bit ai caratteri
meno frequenti; ciò consente di ridurre la lunghezza media
del carattere da 8 bit a circa 5 - 6 bit (codifica Huffman).
L'operazione è detta compressione dei dati.
3) I caratteri dei dati e di segnalazione vengono trasferiti in
una zona di memoria comune, detta memoria tampone,
una per ogni canale.
4) Vengono messi in attività i canali in base a criteri
prestabiliti di scelta; i caratteri passano dalla memoria
tampone alla memoria di trama, dando origine alla trama.
5) La formazione della trama può avvenire con due metodi:
1. Il primo carattere della trama indica il numero del
canale considerato; il secondo carattere indica il
numero
di
caratteri
trasmessi
relativi
a
quel
canale; successivamente sono trasmessi i caratteri
55/81
preannunciati. Si procede cosi di seguito per tutti i
canali attivi; quelli inattivi sono ignorati. Alla fine
della trama è inserito un carattere di controllo di
parità.
2. Nel secondo metodo la trama ha una lunghezza
prefissata ed è suddivisa fra tutti i canali, però non
in modo uniforme; ogni canale è pesato. Vengono
quindi esplorati tutti i canali; per quelli attivi viene
inserito nella trama un numero di caratteri non
superiore al peso, seguiti da due bit separatori; per
quelli inattivi vengono inseriti solo i bit separatori.
La trama è trasmessa in linea al demultiplexer.
3.5.2 Caratteristiche degli STDM
Vantaggi:
1) la loro efficienza è più elevata che in un TDM classico;
2) sono totalmente trasparenti;
3) consentono un controllo della rete in base a criteri prefissati
(per esempio una procedura per correggere gli errori di
trasmissione).
Svantaggi:
1) la possibilità di perdita di caratteri per saturazione delle
memorie;
2) l'introduzione di un ritardo nella fase di memorizzazione dei
caratteri.
56/81
In pratica gli STDM tendono a sostituire i TDM classici, data la loro
maggiore efficienza; vengono utilizzati attualmente per multiplexare
canali asincroni e canali sincroni fino a 9,6 kb/s, per realizzare
collegamenti sino a 64 kb/s.
3.6 MULTIPLAZIONE NUMERICA
3.6.1 Gerarchie di multiplazione
Anche per le trasmissioni numeriche è possibile, a partire dal
flusso base PCM a 32 canali, multiplare a divisione di tempo T.D.M.
(Time-Division,Multiplexing), più flussi, secondo criteri stabiliti dal
C.C.I.T.T. La T.D.M. consiste nella condivisione del tempo base di
125 µs di più fasci P.C.M. Ciò comporta, di conseguenza, l'aumento
della frequenza dell'orologio principale con diminuzione del tempo di
bit tanto più grande quanto più numerose sono le trame che sono
allocate nel tempo base di 125 µs.
IL CCITT ha proposto per l'Europa una gerarchia di multiplazione
che, a partire dalla trama base a 32 canali, arriva a multiplare fino a
7680 canali fonici secondo la tabella 4.1 nella quale è anche riportato
il confronto con la gerarchia di multiplazione F.D.M.
Tabella 4.1 - Gerarchia di multiplazione TDM a confronto con la
FDM
Trasmissioni
numeriche PCM
Frequenza di
emissione dei bit
2 Mbit/s
8 Mbit/s
34 Mbit/s
140 Mbit/s
560 Mbit/s
Canali fonici
multiplati in TDM
Canali fonici
multiplati in FDM
30 (trama base)
120 = 30 * 4
480 = 120 * 4
1920 = 480 * 4
7680 = 1920 * 4
12 (gruppo primario)
300
960
2700
10800
Trasmissioni
analogiche FDM
Massima frequenza
della banda occupata
108 kHz
1,3 kHz
4 MHz
12 MHz
60 MHz
57/81
3.6.2 Formazione del multiplo a 8,448 Mbit/s
Il primo livello gerarchico di multiplazione TDM prevede la
condivisione del tempo base di 125 µs, di quattro fasci PCM ciascuno
formato da 32 canali. Tale operazione si può sostanzialmente
effettuare in due modi diversi:
Interlacciamento sincrono e in sequenza bit x bit o canale per
canale
dei
4
fasci
tributari.
Tale
operazione
si
effettua
nel
multiplatore TDM o MUX e prevede il perfetto sincronismo dei bit dei
flussi entranti e la presenza, nel MUX stesso, di un orologio
principale alla frequenza di multiplazione dalla quale si ricavano tutte
le temporizzazioni necessarie.
Interlacciamento asincrono o plesiocrono consiste in una tecnica
più sofisticata tramite la quale i canali tributari vengono inseriti con
la loro cadenza di cifra in memorie che vengono lette dall'orologio
principale con una cadenza di cifra o leggermente maggiore o minore
della cadenza dei fasci. Questo può dare luogo a svuotamento
anticipato del contenuto delle memorie o a riempimento anticipato.
Di solito, la frequenza di lettura, è maggiore di quella di scrittura e
c'è svuotamento anticipato, Quando lo svuotamento va oltre un
certo limite, ciò viene segnalato al circuito di sincronizzazione che
invia sulla trama di multiplazione, previa scrittura di un codice di
sincronizzazione, una serie di bit denominati pulse-stuffing. Il
ricevitore, rivelando il codice, toglie il riempimento di bit in modo che
solo l'informazione utile venga decodificata.
58/81
4. TECNICHE DI ACCESSO MULTIPLO
4.1 INTRODUZIONE
L'utilizzo di una risorsa di trasmissione, da parte di più utenti dello
stesso sistema, genera situazioni di conflitto se due o più di questi
trasmettono senza alcun accorgimento alla stessa frequenza allo
stesso istante. Allo scopo di prevenire contese tra gli utenti e
massimizzare la capacità del sistema, ossia il numero di utenti
servibili con una qualità del servizio prefissata, sono state introdotte
opportune tecniche di accesso multiplo, che possono permettere
assegnazione delle risorse di tipo individuale, collettiva oppure su
domanda. La condivisione delle risorse può essere un modo molto
efficiente per ottenere un’alta capacità in qualunque rete di
telecomunicazione. Nei sistemi radiomobili le risorse sono costituite
dai canali o, più genericamente, dall’ampiezza di banda. A seconda
di come lo spettro disponibile viene utilizzato, il sistema può essere
classificato come a banda stretta (narrow-band) o a banda larga
(wide-band). Le modalità di assegnazione dei canali possono essere
a: preassegnazione permanente, preassegnazione non permanente,
assegnazione a domanda.
Nel primo caso, tutta la banda di frequenze disponibile viene
suddivisa in più canali mentre, nel secondo caso, tutta la banda o la
maggior parte di essa è utilizzabile da tutti gli utenti.
Vi sono principalmente tre diversi tipi di accesso:
• Accesso multiplo a divisione di frequenza (FDMA)
• Accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA)
59/81
• Accesso multiplo a divisione di codice (CDMA).
Nel caso di sistemi di telecomunicazioni utilizzanti portanti ottiche
è anche possibile implementare un accesso basato sulla divisione di
lunghezza d'onda, WDMA.
La modalità FDMA è intrinsecamente di tipo narrow-band, mentre
quella CDMA è di tipo wide-band; la modalità TDMA può rientrare,
invece, in entrambe le classificazioni. Quando viene richiesta una
comunicazione a due vie, deve essere fornita una connessione di tipo
full-duplex,cioè ogni stazione tramette sulla sua frequenza e riceve
su quella dell'altra, tramite la divisione di frequenza o di tempo. Il
primo caso è denominato FDD (Frequency Division Duplex), mentre
il secondo TDD (Time Division Duplex).
Queste due ttecniche sono definite sincrone e cercano di ripartire
nel modo più effiiente possibile le risorse trasmissive del sistema
mentre il CDMA rende disponibile tutta la banda in ogni istante di
tempo ad ogni utente che accede al sistema.
In generale sarà possibile utilizzare tecniche miste TDMA-FDMA
dove la banda assegnata ad un sistema è suddivisa in diverse
portanti FDMA,ognuna delle quali è condivisa dai vari utenti che vi
accedono con tecniche TDMA (GSM). La risorsa elementare risulta in
questo caso la coppia "time slot / canale".
60/81
5. TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS (TDMA)
5.1 COS’È
Il Time Division Multiple Access (TDMA) è una tecnologia digitale
che permette ad un determinato numero di utenti di accedere ad un
singolo canale in radio-frequenza senza interferire tra di loro,
allocando per ognuno di essi un unico “time-slot” all’interno di ogni
canale. Il protocollo TDMA multipla tre segnali su un singolo canale.
Il TDMA standard per i cellulari divide un singolo canale in sei timeslots, ogni segnale utilizza due slots. Ad ogni utente è assegnato uno
specifico time slot.
5.2 OVERVIEW
Le industrie produttrici di sistemi wireless, hanno cominciato a
considerare l’idea di passare dalle tradizionali reti analogiche a quelle
digitali, quando si è cominciato ad avere bisogno di maggiore
capacità e questo a partire dagli anni 80. Nel 1989, la Cellular
Telecomunication Industry Association (CTIA) ha scelto il TDMA
piuttosto che il Frequency Division Multiple Access (FDMA) di
Motorola (oggi conosciuto come Narrowband Analog Mobile-Phone
Service [NAMPS]) che era lo standard per la banda-larga, come
tecnologia per la esistente rete cellulare a 800 MHz e per quella di
emergenza a 1.9 GHz. Con il crescere della competizione tecnologica
di Qualcomm che si era orientata verso una tecnologia di tipo Code
Division Multiple Access (CDMA) e della nuova realtà dell’European
Global System for Mobile Communications (GSM), il CTIA decise di
61/81
lasciare al libero arbitrio delle società la scelta della tecnologia da
utilizzare.
I due maggiori sistemi che competono nei sistemi a Radio
Frequenza sono il TDMA e il CDMA. Il CDMA è una tecnologia che
permette
a
frequenze
multiple
di
poter
essere
utilizzate
contemporaneamente. Il CDMA codifica ogni pacchetto digitale che
manda con una chiave unica. Un ricevitore CDMA risponde solo a
quella determinata chiave che può estrarre e demodulare il segnale
associato.
A causa della sua adozione da parte dell’European standar GSM,
del Japanese Digital Cellular (JDC) e del North American Digital
Cellular (NADC), il TDMA e le sue varianti sono attualmente la
tecnologia più utilizzata nel mondo. Tuttavia negli ultimi anni è
iniziato un dibattito nel mondo delle comunicazioni wireless per
stabile i reali punti a favore di TDMA e CDMA.
Il sistema TDMA è stato progettato per poterlo utilizzare in un
ampio range di ambienti e situazioni, dai sistemi hand-held utilizzati
negli uffici cittadini, all’utente che si muove ad alta velocità
percorrendo una autostrada. Il sistema inoltre supporta una varietà
di servizi per l’utente finale, come il servizio voce, dati, fax, Short
Message Service (SMS), e i messaggi broadcast.
Il TDMA offre una interfaccia molto flessibile in aria, permettendo
delle prestazioni elevatissime per capacità, copertura, e supporto
illimitato di mobilità e capacità di gestire le differenti necessità degli
utenti.
62/81
5.3 IL VANTAGGIO DIGITALE
Tutte le tecniche di accesso multiplo dipendono dalla adozione di
tecnologie digitali.
La tecnologia digitale oggi è lo standard per il sistema di fonia
pubblico, dove tutte le chiamate analogiche sono convertite in forma
digitale per la trasmissione sul backbone.
La tecnologia digitale ha una serie di vantaggi rispetto alla
tecnologia analogica.
• Si economizza sulla larghezza di banda
• Permette una più facile integrazione con i dispositivi PCS
(Personal Communication System)
• Permette di avere una qualità superiore della trasmissione
della voce su lunga distanza
• È difficile da decodificare (migliore protezione)
• Necessita una minore potenza di trasmissione
• Permette la creazione di dispositivi di ricezione più piccoli e
meno costosi
• Offre la privacy per il servizio voce
5.4 COME FUNZIONA IL TDMA
Il TDMA si basa sul fatto che il segnale audio viene digitalizzato,
cioè si prende il segnale e lo si divide in un numero n di pacchetti
lunghi millisecondi. Il TDMA alloca un singolo canale di frequenza per
un periodo piccolissimo di tempo, dopo di che si sposta su un altro
canale. I campioni digitali provenienti da un singolo trasmettitore
63/81
occupano differenti time-slots in diverse bande nello stesso istante,
come mostrato in figura.
TDMA
Potenza
Tempo
Frequenza
La tecnica di accesso utilizzata nel TDMA, vede tre utenti che
condividono contemporaneamente una frequenza portante di 30 kHz.
Il TDMA è la tecnica utilizzata nei PDC (Personal Digital Cellular)
dell’European
Digital
Standard
(GSM)
e
nel
Japanese
Digital
Standard (JDS). La ragione per aver scelto il TDMA per tutti questi
standard, fu che essa permetteva alcune caratteristiche vitali per le
operazioni di sistema in un ambiente di tipo PCS o di cellulari
avanzati.
Oggi, TDMA è una tecnica disponibile, funzionante e performante.
5.4.1 Pocesso
Per illustrare il processo, consideriamo la seguente situazione. La
figura sotto mostra quattro differenti conversazioni simultanee che
utilizzano ognuna un canale differente.
Conversazioni
Quattro Conversazioni – Quattro Canali
A
È una splendida giornata oggi potremmo fare una bella passeggiata
B
Ieri mi sono divertito un sacco, peccato per quella bottiglia di vino
C
Un bellissimo film quello di ieri sera devi assolutamente vederlo
D
L’aereo parte alle 16 e 40 da Fiumicino, ci vediamo al check-in
64/81
Con la tecnologia digitale, un canale singolo può trasportare tutte
le quattro conversazioni se ognuna è divisa in frammenti molto
piccoli, se è assegnato ad ognuna di esse un time slot e se le
trasmissioni sono sincronizzate tra di loro come nella figura sotto.
Dopo che la conversazione nel time-slot quattro viene trasmessa, il
processo si ripete.
Quattro Conversazioni – Un Canale
RF Ch.
È una splend
Ieri mi sono
Un bellissimo
L’aereo parte
Slot 1
Slot 2
Slot 3
Slot 4
freq. 1
Effettivamente le implementazioni IS-54 (lo standard originale
TDMA) e IS-136 del TDMA triplicarono immediatamente la capacità
delle frequenze dei cellulari dividendo un canale da 30 kHz in tre
time-slots, permettendo a tre differenti utenti di occupare il canale
nello stesso momento. Attualmente, i sistemi sono arrivati al punto
tale da permettere una capacità sei volte superiore. Nel futuro, con
l’utilizzo di celle gerarchiche, antenne intelligenti e allocazione
adattiva dei canali, la capacità dovrebbe arrivare ad essere quaranta
volte superiore rispetto a quella ottenibile con sistemi analogici.
5.5 TDMA AVANZATO
Il
TDMA
sostanzialmente
ha
migliorato
l’efficienza
delle
trasmissioni analogiche. Tuttavia, come l’FDMA, ha la debolezza di
sprecare
banda:
il
time-slot
è
associato
ad
una
specifica
conversazione sia se qualcuno sta parlando sia se nessuno lo sta
facendo. Inoltre tutti i sistemi PCS (Personal Cellular System) hanno
come obbiettivo quello di minimizzare il consumo della batteria
65/81
durante le chiamate mantenendo al minimo la trasmissione di dati
non necessari. La versione migliorata di Hughes chiamata Extended
Time Division Multiple Access (ETDMA), si ripropone di risolvere il
problema.
In un sistema PCS, il telefono decide se un utente stia o meno
trasmettendo o se il suono che sente in un determinato istante sia
solo rumore di background. Se il telefono decide che non ci sono
informazioni intelligenti da trasmettere, azzera l’audio e riduce il
duty-cycle
(periodo
nel
quale
il
trasmettitore
e
attivo)
del
trasmettitore (in questo caso del TDMA) o il numero di bits (nel caso
del CDMA). Quando l’audio è azzerato gli utenti si trovano
immediatamente ad ascoltare quello che in gergo si chiama “dead
air” e questo può causare il fatto che gli utenti pensino che la
chiamata sia caduta. Per evitare questo problema psicologico, molti
service provider inseriscono all’interno delle pause presenti nella
conversazione quello che è conosciuto con il nome di “Comfort
Noise”. Il “Comfort Noise” è un rumore bianco sintetizzato che
riproduce il volume e la struttura del vero rumore di fondo. Questo
finto rumore di fondo, assicura agli utenti che la connessione è
ancora su.
In altre parole, invece di aspettare per determinare se un utente
stia trasmettendo o meno, ETDMA assegna gli utenti in modo
dinamico.
ETDMA
manda
dati,
durante
quelle
pause
che
normalmente una conversazione contiene. Quando gli utenti hanno
qualcosa da trasmettere, emettono un bit in un buffer di coda, il
sistema fa una scansione periodica del buffer, si accorge che un
utente ha bisogno di trasmettere e gli alloca banda. Se un utente
non ha nulla da trasmettere, la coda si sposta semplicemente ad un
altro utente. Così invece di essere assegnato arbitrariamente, il
time-slot è assegnato in base alle reali esigenze. Se i partners in una
66/81
conversazione telefonica non parlano contemporaneamente, cosa
verosimile per la maggior parte del tempo, questa tecnica può più o
meno raddoppiare l’efficienza spettrale del TDMA, rendendolo dieci
volte più efficiente di una trasmissione analogica.
5.6 EFFICIENZA SPETTRALE
La capacità di canale del TDMA è fissata e indiscutibile. Ogni
canale trasporta un numero finito di “slots” e non è possibile
accettare un nuovo utente una volta che ognuno di quegli slot è
occupato. L’efficienza spettrale varia da una tecnologia all’altra, ma
calcolare un numero preciso e ancora un arduo compito. Per
esempio, GSM prevede 8 slots in un canale largo 200 KHz, mentre
IS-136 prevede 3 slots in un canale di solo 30 KHz. GSM perciò
utilizza 25 KHz per utente, mentre IS-136 solo 10 KHz.
Si sarebbe tentati di affermare che IS-136 ha una capacità di 2.5
volte superiore a quella del GSM. Se si considera solo una cella
questo è sicuramente vero, ma quando si cominciano a considerare
più celle e il riuso dei canali, la situazione diventa molto più
complessa. A causa della miglior gestione degli errori e del
“frequency hopping”, la interferenza di un sito co-canale è molto
ridotta. Questo permette alle frequenze di essere riutilizzate più
frequentemente senza una degradazione nella qualità globale del
servizio.
La capacità è misurata in “chiamate per cella per MHz”. Per un
sistema IS-136 con parametro di riuso N=7 (questo vuol dire che si
hanno 7 differenti sets di frequenze da sparpagliare intorno alla
città) la cifra e 7.0. Nel GSM abbiamo una cifra pari a 5.0 per N=4 e
67/81
6.6 per N=3. Si sperava che IS-136 potesse utlizzare uno un numero
di riuso più piccolo di N=7, ma la sua inabilità di far fronte alle
interferenze lo ha reso impossibile.
5.7 I VANTAGGI DEL TDMA
Per migliorare l’efficienza di trasmissione, TDMA offre un numero
di ulteriori vantaggi rispetto alle altre tecnologie standard cellulari.
Primo e più importante di tutti, il TDMA può essere facilmente
utilizzato nella trasmissione di dati, tanto quanto nella
trasmissione della voce.
TDMA offre la possibilità di trasportare dati con rate da 64 kbps a
120 Mbps. Questo permette agli operatori di offrire servizi di
comunicazione personalizzati come il fax, voiceband data, SMS tanto
quanto il quelli a larga banda come multimedia e videoconferenza.
Sfortunatamente le tecniche di tipo spread-spectrum possono
essere soggette ad interferenze causate dagli utenti che utilizzano la
stessa frequenza nello stesso istante e che quindi si disturbano a
vicenda, mentre il TDMA che utilizza un sistema di time division,
assicura che gli utenti non saranno soggetti alle interferenze
provocate da altri utenti che trasmettono nello stesso momento.
Il TDMA permette di aumentare la durata della batteria dei
cellulari e quindi permette conversazioni più lunghe dato che
l’apparato mobile non trasmette sempre, ma solo per una porzione
pari ad 1/3 – 1/10 del tempo.
68/81
Il TDMA offre la possibilità di risparmiare spazio ed attrezzature
nella
stazione
base,
permette
inoltre
un
mantenimento
più
economico e semplice, tutti fattori importanti considerando il fatto
che la dimensione si riduce sempre di più.
Il TDMA è la tecnologia con il miglior rapporto qualità prezzo che
permetta di passare dalla tecnologia analogica a quella digitale.
Il TDMA è l’unica tecnologia che offre una efficiente utilizzazione
della struttura gerarchica delle celle (HCSs) offrendo, pico, micro e
macrocelle. HCSs permette alla copertura del sistema di essere
adattata per supportare uno specifico traffico e le necessità dei
servizi. Utilizzando questo tipo di approccio, si può arrivare ad avere
una capacità ben quaranta volte superiore l’AMPS ad un costo
relativamente basso.
A causa delle sua inerente compatibilità con i sistemi analogici
FDMA, TDMA offre una perfetta compatibilità con l’uso dei telefoni
dual-mode.
La doppia banda 800/1900 MHz offre i seguenti importantissimi
vantaggi:
• Agli utenti che operano in entrambe le bande sono offerti
applicazioni e servizi identici
• Il sistema rende completamente trasparente l’utilizzo delle
due bande all’utente che quindi non si accorge quando il
sistema passa da una banda all’altra
• Gli utenti utilizzando il dual-mode e i telefoni dual-band su
un canale TDMA a 1900 MHz, possono fare un handoff a/da
69/81
un canale TDMA su 800 MHz tanto quanto da/a un canale
analogico AMPS, cosa che non è possibile con una tecnologia
di tipo CDMA che permette solo il passaggio da digitale ad
analogico.
5.8 GLI SVANTAGGI DEL TDMA
Uno degli svantaggi del TDMA è che ogni utente utilizza un timeslot predefinito. Tuttavia, gli utenti che passano da una cella ad
un’altra non sono assegnati ad un time-slot. In questo modo, se tutti
i time-slots nella cella successiva sono già occupati, una chiamata
può essere disconnessa. Allo stesso modo, se tutti i time-slots nella
cella nella quale ad un utente capita di trovarsi sono già occupati, un
utente non riceverà il dial-tone.
Un altro problema con il TDMA è che esso è soggetto alle
distorsioni introdotte dal multipath (percorsi multipli). Un segnale
proveniente da una torre ad un cellulare può venire da una qualsiasi
direzione. Il segnale può aver rimbalzato su alcuni palazzi prima di
arrivare
al
portatile
di
destinazione
e
questo
può
provocare
interferenze.
Un modo per marginare questo tipo di interferenza è quello di
mettere un limite di tempo al sistema. Il sistema sarà progettato in
modo da poter ricevere, trattare e processare un segnale entro un
certo limite di tempo. Scaduto il limite, il sistema ignorerà il segnale.
La sensibilità del sistema dipende da quanto lontano esso processa le
frequenze affette da percorsi multipli. Anche per millesimi di secondi,
i segnali dovuti a percorsi multipli causano problemi.
70/81
Tutte le architetture cellulari, sia che siano basate su microcelle
che
su
macrocelle,
hanno
un
unico
set
di
problemi
per
la
propagazione. Le macrocelle sono particolarmente affette dalla
perdita di segnale a causa dei percorsi multipli, questo fenomeno di
solito si presenta ai bordi delle celle dove le riflessioni e rifrazioni
possono indebolire o cancellare il segnale.
5.9 TDMA VERSUS CDMA
Fin dalla introduzione del CDMA nel 1989, il mondo del wireless è
stato centro di un importante dibattito circa i meriti del TDMA e del
CDMA.
I fautori del CDMA, proclamavano una efficienza di banda di
tredici volte superiore a quella del TDMA e di ben quaranta volte
superiore quella di una normale trasmissione analogica. Inoltre, essi
sostenevano che la sua tecnologia di tipo spread-spectrum fosse più
sicura ed offrisse una qualità maggiore rispetto al TDMA dato che era
molto più resistente alle interferenze causate dai percorsi multipli.
71/81
I difensori del TDMA, dall’altra parte, evidenziano che fino ad oggi
non
ci sono prove che comprovino che la tecnologia CDMA possa
raggiungere i livelli di capacità dichiarati. Inoltre, evidenziano il fatto
che i teorici miglioramenti nella efficienza di banda che erano stati
dichiarati per il CDMA, stanno ormai per diventare una realtà
concreta grazie ai miglioramenti nella tecnologia TDMA. L’evoluzione
del TDMA permetterà, nel prossimo futuro, un incremento della
capacità fino a 40 volte quella della tecnologia analogica. Tutto ciò
combinato al fatto che i costi per la tecnologia CDMA sono molto più
alti rispetto a quella TDMA (una base per il CDMA costa 300.000 $
rispetto agli 80.000 $ per il TDMA) pone nella questione la domanda
su cosa effettivamente la tecnologia CDMA possa offrire. Fino ad ora,
l’IS-136 TDMA, è la soluzione più economica e funzionale per il
passaggio alla tecnologia digitale di un network AMPS.
Non si è ancora raggiunto un verdetto finale per questo dibattito.
Tuttavia, sembra essere chiaro che per il prossimo futuro almeno, il
TDMA rimarrà la tecnologia dominante nel mercato del wireless.
5.10 IS-136 DIGITAL-CONTROL CHANNEL, ASPETTI,
POTENZIALITÀ
Lo standard originale TDMA era l’Is-54, introdotto nel 1988-89
dalla Telecommunications Industry Association (TIA)/CTIA. Essa
inaugurò un set di caratteristiche tipo autenticazione, ID del
chiamante, un MWI (message-waiting indicator) e la privacy per il
servizio voce.
72/81
TDMA STANDARD EVOLUTION
Services
Quality
Capacity
Coverage
Cost
IS-136 B
IS-136A Plus EFRC
IS-54
Adopted
TIA/CTIA
by
IS-136 Rev. 0
TDMA Standard process
begins
1988
1990
TDMA in commercial service
1992
1994
1996
1998
IS-54B fu soppresso nel 1994 con l’introduzione dell’IS-136
seguito subito dopo dalle revisioni A e B.
IS-136 era compatibile con IS-54B e includeva un DCCH e
caratteristiche avanzate.
IS-136A sostitui l’IS-136 per i servizi cellulari tra gli 800 MHz e
1900 MHz in modo che non ci fosse soluzione di continuità. In più
introdusse servizi di attivazione e programmazione over-the-air.
IS-136B include un nuovo range di servizi quali il servizio broadcast
SMS, racket data, ecc.
73/81
6 FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS (FDMA)
6.1 DESCRIZIONE
Il tipo di accesso più semplice da realizzare è quello a divisione di
frequenza, in cui l’intera banda di frequenze viene suddivisa in un
certo numero di bande di canale con larghezza prefissata; con
questo sistema i segnali provenienti dai mobili o dalle stazioni radio
base sono trasmessi su diverse frequenze portanti.
All’interno di una cella tutti i canali sono disponibili per tutti gli
utenti e la loro assegnazione è realizzata in seguito alla richiesta da
parte degli utenti stessi sulla base del criterio “primo arrivato - primo
servito”. Nel caso in cui una frequenza venga assegnata ad un solo
utente (fig. 1.1), il sistema è denominato SCPC (Single Channel Per
Carrier). Una volta assegnata la banda, il numero di canali che
possono
essere
ottenuti
dipende
non
solo
dalla
tecnica
di
modulazione, ma anche dagli intervalli di guardia lasciati tra i vari
canali; questi ultimi permettono di minimizzare l’interferenza da
canale adiacente dovuta alle imperfezioni dei filtri e degli oscillatori
utilizzati nelle apparecchiature. Di tutti i canali disponibili, una parte
può essere dedicata alla trasmissione delle informazioni di controllo,
mentre i restanti vengono utilizzati per le comunicazioni degli utenti.
Il numero di canali di controllo varia con le dimensioni del sistema,
ma generalmente costituisce solo una piccola porzione del numero
totale di canali. La banda disponibile per ogni utente può essere
definita come:
Bd =
B
N
74/81
Dove B rappresenta la banda totale a disposizione e N il numero
di canali che si vogliono ricavare.
Le principali caratteristiche della modalità FDMA sono le seguenti:
Trasmissione continua: i canali, una volta assegnati, possono
essere
utilizzati
dall’utente
e
dalla
stazione
radio
base
contemporaneamente ed in modo continuativo; questo porta da una
parte uno spreco di di canale e di energia, ma dall'altra sono
necessari meno bits per portare a buon fine la trasmissione rispetto
ad
altre
tecniche.
sincronizzazione
Infatti
temporale,
non
né
occorrono
tenere
conto
informazioni
dei
ritardi
di
di
propagazione. Necessita però un protocollo digitale, che occupa,
disturbandolo, il canale audio. Su tutti i telefoni cellulari è necessario
per, ad esempio, identificare il terminale o il numero chiamato, o
inviare messaggi di cambio frequenza; sono quegli instanti in cui, in
un telefono "E-TACS" sparisce l'audio, con effetto deleterio per chi
impiega un modem di qualsiasi genere.
Banda stretta: un canale deve essere più stretto possibile, per
ospitare più utenti (25-30 kHz a seconda del sistema radiomobile)
;questo vuol dire filtri più complessi, minor rapporto senale/rumore,
75/81
maggiore possibilità di incappae in "nulli" di segnale dovuti ad
evanescenza multipercorso. Quest'ultimo fenomeno è evidente a chi,
con qualsiasi radio, ha notato che, anche in zone di segnale discreto,
esistono punti in cui non si riesce a ricevere nulla; spostandosi di
poco, il segnale ritorna normale. Si tratta di un effetto denominato
"evanescenza multipercorso", e si ha quando nello stesso punto
arrivano due segnali, che hanno seguito percorsi e riflessioni diverse,
ed
arrivano
fenomeno
esattamente
avviene
solo
in
ad
controfase,
una
annullandosi.
particolare
frequenza,
Questo
quindi
cambiando canale (o semplicemente allargandolo) è possibile ridurre
di molto il problema.
Hardware semplice: rispetto alle altre modalità di accesso
multiplo,
sono
richieste
apparecchiature
relativamente
poco
complesse sia per quanto riguarda i terminali mobili, che per le
stazioni base.
Utilizzo del duplexer: dato che il sistema opera in modalità full
duplex e viene utilizzata una sola antenna per la trasmissione e per
la ricezione, l’introduzione di un duplexer (un insieme di filtri
interposto tra trasmettitore e ricevitore) è necessario per evitare il
fenomeno dell’interferenza.
Alti costi per la stazione base: l’architettura richiede l’impiego di
un trasmettitore ed un ricevitore per ogni canale, comportando così
costi notevoli nel caso in cui si voglia servire un elevato numero di
utenti: se una stazione base deve servire 100 terminali mobili, deve
disporre di 100 trasmittenti e 100 riceventi indipendenti.
Bassi costi per i terminali mobili: gli unici vincoli ai quali i
terminali devono sottostare sono il rispetto della frequenza di
portante assegnata e la larghezza di banda; inoltre, come già detto,
il trasmettitore ed il ricevitore operano in modo continuo. Queste
76/81
caratteristiche permettono di mantenere bassi i costi dei terminali
mobili.
Scarsa protezione della comunicazione: la protezione intrinseca
offerta dalla modalità FDMA è inesistente; occorre quindi aggiungere
opportuni dispositivi o procedure di cifratura per raggiungere tali
obiettivi. Inoltre, anche una semplice portante non modulata può
causare
un’interferenza
isofrequenziale
sufficiente
per
compromettere la comunicazione.
Uno dei problemi di tale tecnica d'accesso riguarda lo spreco delle
risorse: se un canale non è utilizzato da nessun utente, in generale,
non potrà essere utilizzato da altri utenti per incrementare la propria
capacità trasmissiva. Un altro spreco di risorse è dovuto alla
necessita di bande di guardia tra i vari canali, per prevenire
eventuali sovrapposizioni di questi dovute ad eventuali disturbi.
Questo spreco di risorse, se non gestito in maniera opportuna, può
portare ad avere un sistema con una bassa efficienza.
Ad esempio nello standard TACS, in principio si assegnava al
sistema 1000 canali di frequenza centrati nella banda tra 890-960
MHz, sapendo che lo spazio tra i canali è di 25KHz, con un semplice
calcolo si ottiene:
[960-890 MHz/ 1000 canali]- 25KHz = 45 KHz - che corrisponde
alla larghezza di ogni portante radio.
In seguito esso si è evoluto nello standard ETACS (Extendend
TACS) in cui i canali sono aumentati a 1320 e la banda è diventata
872-950 MHz, ripentendo lo stesso calcolo di prima si ottiene:
77/81
[950-872 MHz/ 1320 canali] – 25KHz = 34 KHz - che è ancora la
larghezza di ogni portante radio.
Il sistema TACS raggiunge una velocità di trasmissione dati (bitrate) di 14,4 Kbps.
Il sistema GSM invece, per gestire l’accesso degli utenti alle
risorse radio a disposizione, utilizza una combinazione delle tecniche
di multiplazione a divisione di frequenza (FDMA) e di tempo (TDMA).
6.2 MULTIPLAZIONE FDMA E RIUTILIZZO DELLE FREQUENZE
Il GSM utilizza la tecnica FDMA per dividere l'ampiezza di banda
concessa in canali, ciascuno di ampiezza 200 kHz centrato su una
frequenza portante. Ad ognuna di queste portanti è associato un
numero, detto ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number),
per identificarle in modo univoco.
Abbiamo visto che, inizialmente, il sistema GSM standard (P-GSM)
ebbe a disposizione una banda complessiva di 25 MHz, sia per
l’uplink (890-915 MHz) sia per il downlink (935-960 MHz).
Ciascuna di queste bande è stata divisa in 124 portanti, numerate
da 1 a 124. Esiste una semplice formula per individuare la generica
portante di numero n (ARFCN n):
- Fuplink(n)
=
890 + n*0.2 MHz
1<=n<=124
- Fdownlink(n) = 45 + 890 + n*0.2 MHz
1<=n<=124
78/81
Il concetto di queste formule è semplice: si parte dalla frequenza
più bassa (890 MHz per l’uplink e 935 MHz per il downlink) e si
aggiungono 200 kHz per ciascun canale, progressivamente.
Come sappiamo, all'interno di una stessa nazione, le frequenze
portanti sono suddivise tra i vari operatori, sia GSM sia di eventuali
sistemi analogici già esistenti (in Italia, ad esempio, la situazione è
complicata per la compresenza del sistema analogico ETACS).
Gli N canali (frequenze portanti) assegnati ad un operatore sono
divisi in M gruppi in modo che ognuno disponga di N/M canali. Ad
ogni cella è assegnato un gruppo di canali in modo da diversificare le
frequenze utilizzate da celle geograficamente adiacenti.
L'FDMA è anche la più comune procedura di accesso al satellite
usata finora.
Ad ogni stazione di terra sono assegnate una portante, entro la
banda di un trasponder del satellite, ed un certo numero di canali;
ad esempio sono assegnati 60 canali a 4 kHz ed una frequenza
portante f2 = 6,240 GHz. Nella stazione di terra i canali a 4 kHz
vengono traslati in frequenza in un multiplexer, secondo il sistema
FDM (muItiplex a divisione di frequenza); si ottiene cosi il segnale
modulante o segnale in banda base; nell'esempio il segnale in banda
79/81
base occupa la banda 12 -:- 252 kHz. Il segnale in banda base è
applicato ad un modulatore FM in cui modula la portante in
modulazione di frequenza; si ottiene un segnale FM che viene
trasmesso al satellite; nell'esempio la banda del transponder del
satellite occupata è di 5 MHz, da 6,2375 GHz a 6,2425 GHz, centrata
attorno alla frequenza di trasmissione f2=6,240 GHz. Le altre
stazioni di terra che utilizzano lo stesso transponder del satellite
hanno portanti tali che i segnali occupano bande adiacenti, in modo
da utilizzare tutta la banda del transponder stesso.
Il segnale FM viene ritrasmesso verso le stazioni di terra dal
transponder nella banda di 4 GHz; a terra vengono selezionate le
bande desiderate e quindi il segnale FM viene demodulato mediante
demodulatori FM, in modo da riottenere il segnale in banda base;
infine, impiegando i demultiplexer, si ottengono i canali desiderati.
L'efficienza dell'utilizzo della banda del transponder dipende dal
numero di stazioni di terra, e quindi di portanti, e dal numero di
canali assegnati ad ognuna di esse, in base alle esigenze del traffico
telefonico. Infatti, la banda del segnale FM relativo alla portante di
ogni stazione dipende dal numero di canali fonici assegnati a quella
stazione; secondo lo standard Intelsat, ad esempio, a 24 canali
corrisponde una banda del segnale FM di 2,5 MHz; a 60 canali
corrisponde una banda di 5 MHz; 900 canali, assegnati ad un'unica
portante, determinano l'occupazione completa della banda del
transponder. Ad un transponder di 36 MHz di banda di un satellite
possono accedere al più 14 stazioni di terra (con 24 canali fonici
ciascuna, per un totale di 336 canali); al diminuire del numero di
stazioni, aumenta il numero di canali fonici utilizzabili, per giungere
al valore limite di 900 canali, nel caso di una sola stazione di terra
che usa il transponder.
80/81
La procedura descritta è detta anche procedura FDM/FM/FDMA;
per quanto visto sopra, infatti, i canali relativi ad una stazione sono
multiplexati in frequenza (FDM), modulano una portante in FM, e
accedono al transponder del satellite secondo la tecnica FDMA.
I vantaggi della tecnica FDMA consistono nella semplicità di
assegnazione
dei
canali
e
nella
assenza
di
esigenze
di
sincronizzazione per le diverse stazioni di terra. L'inconveniente
maggiore è causato dal problema dell'intermodulazione fra le
portanti delle diverse stazioni che hanno accesso ad uno stesso
transponder. Ciò obbliga in primo luogo a spaziare i canali e quindi la
banda del transponder non è utilizzata in modo efficiente; in secondo
luogo, dato che più portanti hanno accesso al transponder, le
potenze delle stazioni di terra devono essere coordinate, in modo da
non
saturare
il
transponder
e
quindi
rendere
la
distorsione
intollerabile. Per questi inconvenienti, la procedura TDMA sta
diffondendosi sempre più ampiamente.
81/81

Sistemi LMDS - Marco Giovinazzi

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