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Marco Giovinazzi | Giulio Mezzana | Andrea D'Achille | Franco Di Mezza | Antonio Parisse

Investigazione generale su: Sistemi

(Marco Giovinazzi) LMDS

Tecniche

(Franco Di Mezza) FDD, TDD (Andrea D’Achille) TDM (Giulio Mezzana) TDMA (Antonio Parisse) FDMA

Sistemi LMDS e Tecniche FDD, TDD, TDM,TDMA, FDMA

Marco Giovinazzi | Giulio Mezzana | Andrea D'Achille | Franco Di Mezza | Antonio Parisse 2/81

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



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



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



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 punto-

multipunto.

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.



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 punto-

punto. 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



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, gestione degli accessi,

registrazione e autenticazione devono essere gestite localmente

all'interno della BS. In alternativa la BS può non avere funzioni



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.



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.



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.



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.



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.

marco

Note

Burstiness è un parametro che caratterizza l'eterogeneità del traffico. In particolare può essere tradotto come "frammentazione dei burst". I Burst sono le unità dati fondamentali. Burstiness=Velocità di Picco/Velocità media



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



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



Tutti gli schemi sono utilizzabili con TDMA e FDMA, tranne il 64-

QAM, 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:

Capacità del sistem a Num ero di C elle Capacità singola Ce lla

1 Questi valori sono approssimati, data la quantità di fattori che intervengono nella loro stima e la loro variabilità.

marco

Note

CBR=Constant Bit Rate. Una connessione CBR mantiene il flusso dati costante dall'attvazione alla caduta.



Capacità singola Ce lla Numero di settori Capacità di 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 Cella Numero di settori E fficenza Spettrale 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 disponibile per settore

Modulazione

Efficenza Spetrtale

dello schema

Banda riservata ad

ogni collegament

o

Numero di collegamenti

possibili

Capacità sito utente

Capacita totale del sistema su un singolo

fronte (up/dwn)

4-QAM 1.5 b/s/Hz 5 • 1.5 = 7.5 Mbps 50 • 7.5 = 375 Mbps

16-QAM 3.5 b/s/Hz 5 • 3.5 = 17.5 Mbps 50 • 17.5 = 875

Mbps 250 Mhz

64-QAM2 5 b/s/Hz

5 MHz 250 : 5 = 50

5 • 5 = 25 Mbps 50 • 25 = 1250 Mbps

2 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.



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 utenti-

collegamenti 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

marco

Cross-Out

marco

Inserted Text

CPS (Customer Premises Site - Sito in collegamento diretto con l'utenza)

marco

Cross-Out

marco

Inserted Text

CPS (Customer Premises Site - Sito in collegamento diretto con l'utenza)



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.



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



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.



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:

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 nevralgico del sistema LMDS. Gestisce il

processamento, instradamento, multiplazione, demultiplazione,

compressione, rilevazione e correzione di errore, codifica, decodifica,

protezione, compressione dei segnali digitali. Può essere configurato,

USERS

USERS

USERS

CPE

CPE

CPE

RADIO FREQUENCY EQUIPMENT

NETWORK NODE

EQUIPMENT

OTHER BS LINK

BASE STATION



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



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.

Mbps Mbyte/s PSTN 33,6 0,0336 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

Mbps Mbyte/s

PSTN 33,6PSTN 56,6ISDN-SCISDN-DCCABLE MODEMA-DSLS-DSLT1E-1T3E-3OC-3LMDSOC-12



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



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



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.



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.



Il sistema punto-multipunto è un'estensione del tradizionale MINI-

LINK, 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



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 MINI-

LINK 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



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.



• 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.



• 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.



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:



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:



2.1.3 Orientamenti sulle due tecniche

All’inizio, per le trasmissioni fisse senza filo punto–punto e punto-

multipunto 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.



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



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).



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 punto-

multipunto). 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



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.



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



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 punto-

multipunto 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.



• 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



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.



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



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.



t

t

t

101

100

011

010

001

000

111

110

101

100

011

010

001

000

111

110

101

100

011

010

001

000

111

110

V1

V2

V3

Fig. 1 Principio della trasmissione PCM

0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0

t0

t

t1 t2 t4 t3 t6 t5

t



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.

c

b

a

d

V

t t1 t2

Fig. 2 Compressione del segnale



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



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.



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.



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



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.



31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

21

20

19

18

7

6

5

4

3

2

1

0

X 0

0 1

1 0

1 1

X 1

S1 X

X X

X

1

0 0

0 0

1 S

2 X

1

X 0

0 1

1 0

1 1

X 0

0 1

1 0

1 1

IT0 d

elle

tra

me

par

i.

Paro

la

di

allin

eam

ento

di

tram

a per

le

tram

e par

i da

0 a

16

IT0 d

elle

tra

me

dis

par

i.

Paro

la

di

allin

eam

ento

di

tram

a per

le

tram

e par

i da

1 a

15

IT16 d

ella

sol

a tr

ama

T 0.

Paro

la d

i al

linea

men

to d

i m

ultitra

ma

T0

T1

T5

T4

T3

T2

T6

T7

T8

T9

T14

T13

T12

T11

T10

T15

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

21

20

19

18

7

6

5

4

3

2

1

0

IT0 d

ella

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ma

dis

par

i T 1

3.

Paro

la

di

allin

eam

ento

di

tram

a.

IT16 d

ella

tra

ma

T 13.

Bit A

i e

Bi

di

segnal

azio

ne

così

per

tutt

e le

tra

me

da

T1 a

T15.

2 m

s

Fig. 3 – Costituzione della multitrama

MU

LTIT

RAM

A =

16 t

ram

e



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



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 ele-



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



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.



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 Trasmissioni

analogiche FDM Frequenza di

emissione dei bit

Canali fonici multiplati in TDM

Canali fonici multiplati in FDM

Massima frequenza della banda occupata

2 Mbit/s 30 (trama base) 12 (gruppo primario) 108 kHz 8 Mbit/s 120 = 30 * 4 300 1,3 kHz 34 Mbit/s 480 = 120 * 4 960 4 MHz 140 Mbit/s 1920 = 480 * 4 2700 12 MHz 560 Mbit/s 7680 = 1920 * 4 10800 60 MHz

marco

Note

CHE VUOL DIRE LA TABELLA???



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.

marco

Note

COSA VUOL DIRE???



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)



• 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".



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 time-

slots, 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



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.

marco

Note

CHE COSA SONO???



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



occupano differenti time-slots in diverse bande nello stesso istante,

come mostrato in figura.

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.

Potenza Tempo

Frequenza

TDMA

È una splendida giornata oggi potremmo fare una bella passeggiata

Ieri mi sono divertito un sacco, peccato per quella bottiglia di vino

Un bellissimo film quello di ieri sera devi assolutamente vederlo

L’aereo parte alle 16 e 40 da Fiumicino, ci vediamo al check-in

A

B

C

D Co

nvers

azi

on

i

Quattro Conversazioni – Quattro Canali



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.

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

È una splend Ieri mi sono Un bellissimo L’aereo parte

Quattro Conversazioni – Un Canale

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4

RF Ch. freq. 1



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



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



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.



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

marco

Note

COSA é L'HANDOFF???



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 time-

slot 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.



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.

marco

Note

COSA VUOL DIRE???



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.



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.

1998 1996 1994 1992 1990 1988

TDMA Standard process begins TDMA in commercial service

IS-54 Adopted by TIA/CTIA

IS-136 Rev. 0

IS-136A Plus EFRC

IS-136 B

Cost Coverage

Capacity

Quality

Services

TDMA STANDARD EVOLUTION



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:

NB

Bd =



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. Infatti non occorrono informazioni di

sincronizzazione temporale, né tenere conto dei ritardi 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,



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 esattamente in controfase, annullandosi. Questo

fenomeno avviene solo ad una particolare frequenza, 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

marco

Note

MA NON é IL DIPLEXER???



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:



[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 (bit-

rate) 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



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



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.



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.

investigazione generale su - marco...

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