Concetti di base T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall, 1996 RETI RADIOMOBILI

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Definizioni Comunicazione: trasferimento di informazioni secondo convenzioni prestabilite Telecomunicazione: qualsiasi trasmissione e ricezione di segnali che rappresentano segni, scrittura immagini e suono, informazioni di qualsiasi natura, attraverso cavi, radio o altri sistemi ottici e elettromagnetici Rete di telecomunicazione: sistema che permette a utenti e/o dispositivi controllati da utenti di comunicare RETI RADIOMOBILI

Funzioni in una rete di telecomunicazione SEGNALAZIONE COMMUTAZIONE TRASMISSIONE GESTIONE RETI RADIOMOBILI

Segnalazione Segnalazione: lo scambio di informazioni che riguardano l’apertura, il controllo e la chiusura di connessioni e la gestione di una rete di telecomunicazione Lo scambio di informazioni tra l’utente e la rete: segnalazione di utente La costruzione di un circuito richiede scambio di informazioni di controllo internamente alla rete: segnalazione di rete RETI RADIOMOBILI

Commutazione Commutazione: il processo di interconnessione di unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di telecomunicazione per il tempo necessario per il trasferimento di segnali E’ il processo di allocazione delle risorse di rete necessarie per il trasferimento dell’informazione Commutazione di circuito: canali allocati staticamente e dedicati a singole trasmissioni Commutazione di pacchetto: canali allocati dinamicamente e condivisi tra piu’ trasmissioni RETI RADIOMOBILI

Trasmissione Trasmissione: il trasferimento di segnali da un punto a uno o più altri punti Unicast: punto-punto Multicast: punto-multipunto Broadcast: punto-tutti RETI RADIOMOBILI

Gestione Aggiunta di nuovi utenti: modifica o aggiunta apparati e/o canali Evoluzione tecnologica: sostituzione apparati Riconfigurazione per guasti Monitoraggio prestazioni Controllo apparati Gestione della configurazione Gestione della sicurezza Gestione della mobilità Tariffazione RETI RADIOMOBILI

La pila ISO/OSI RETI RADIOMOBILI

Open System Interconnection OSI Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collegamento Fisico 7 6 5 4 3 2 1 RETI RADIOMOBILI

Comunicazione radio RETI RADIOMOBILI

Rete wireless Trasmissione: il trasferimento di segnali da un punto a uno o più altri punti Rete di telecomunicazione wireless: i nodi comunicano tramite un canale “senza filo” La trasmissione avviene attraverso un canale radio, a microonde, a infrarossi Esempi: broadcast radiofonico e televisivo, reti cellulari, reti WiFi, comunicazioni satellitari RETI RADIOMOBILI

Rete wireless l = c/f RETI RADIOMOBILI

Rete wireless l = c/f Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Nome 30 KHz 10 Km 300 KHz 1 Km 3 MHz 100 m 30 MHz 10 m 300 MHz 1 m 3 GHz 10 cm 30 GHz 1 cm f l Radiofari aeronautici e marittimi Informazioni e sistemi meteo Trasmissioni radiofoniche in onde medie (AM) Trasmissioni aeronautiche oceaniche in codice Morse Trasmissioni radiofoniche in onde corte (FM) Radioamatori Trasmissioni televisive Reti cellulari Reti WiFi Reti WiFi Trasmissioni satellitari Ponti radio Uso RETI RADIOMOBILI

Tipi di segnale ANALOGICO NUMERICO o DIGITALE L'informazione è trasferita per mezzo di un segnale continuo limitato di infiniti possibili valori NUMERICO o DIGITALE discontinuo con un numero finito di possibili valori RETI RADIOMOBILI

Segnale analogico t RETI RADIOMOBILI

Segnale numerico o digitale RETI RADIOMOBILI

Processo di numerizzazione t t Segnale analogico Campionamento fc > 2B Quantizzazione 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 t Segnale numerico 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 0011 – 0011 – 0100 – 0100 – 0100 – 0100 – 0010 - 0010 t Pulse Code Modulation (PCM) uniforme RETI RADIOMOBILI

Tipi di trasmissione ANALOGICA NUMERICA L'informazione assume valori in un insieme continuo. Tali valori vengono rappresentati come variazione continua di un parametro (ampiezza, frequenza, fase) NUMERICA L'informazione assume valori in un insieme numerabile e finito di valori I segnali che trasferiscono l’informazione sono in generale comunque continui Il ricevitore, tramite un processo di decisione, ricostruisce informazione discreta RETI RADIOMOBILI

Trasmissione analogica Portante Modulante Modulazione di ampiezza Modulazione di frequenza Modulazione di fase RETI RADIOMOBILI

Trasmissione numerica antenna segnale analogico in banda base bit informazione modulazione numerica modulazione analogica 00110101 Trasmettitore portante radio antenna segnale analogico in banda base demodulazione analogica demodulazione numerica 00110101 Ricevitore portante radio RETI RADIOMOBILI

Modulazione numerica Segnale numerico Amplitude Shift Keying Frequency Phase Shift Keying RETI RADIOMOBILI

Modulazione numerica Si possono codificare piu’ bit tramite un singolo simbolo A1 [1] A0 [0] 1 A0 [00] A1 [01] A2 [10] A3 [11] 2-ASK 4-ASK RETI RADIOMOBILI

Modulazione di fase e ampiezza Modulazione numerica I(t) Q(t) I 1 2-ASK: 1 bit/simbolo Q 11 00 4-ASK: 2 bit/simbolo 01 10 I Q 16-QAM: 4 bit/simbolo Modulazione di fase e ampiezza Q I 1 2-PSK: 1 bit/simbolo 00 01 11 10 4-PSK: 2 bit/simbolo 000 001 011 010 110 111 101 100 8-PSK: 3 bit/simbolo p p/2 p/4 RETI RADIOMOBILI

Modulazione analogica Modulazione analogica: frequenza centrale del segnale in banda base è traslato alla frequenza della portante radio Necessaria per la trasmissione dei dati dimensione dell’antenna proporzionale alla lunghezza d’onda del segnale trasmesso possibilita’ di utilizzare contemporaneamente piu’ frequenze diverse e quindi di effettuare piu’ trasmissioni simultanee RETI RADIOMOBILI

Definizioni Spettro di un segnale: insieme delle frequenze che compongono il segnale Larghezza di banda (B): ampiezza dello spettro del segnale trasmesso, che dipende dai limiti del trasmettitore e del mezzo di comunicazione (Hz) Velocità di trasmissione (Rb): velocità (rate) a cui un utente o un nodo di comunicazione trasmette l’informazione (es. bit/s) Tempo di simbolo (ts): tempo necessario alla trasmissione di un simbolo (es: un bit, ts=tb) RETI RADIOMOBILI

Larghezza di banda di un segnale numerico modulato Trasformata di Fourier Dominio del tempo Dominio della frequenza Ampiezza del segnale Segnale in banda base (1 Msymbol/s) 1 Mhz Dal punto di vista del sistema di rete: modulazione t.c.: Rb/Rs=k -> rate d’informazione=k Mb/s corrisponde ad una larghezza di banda del segnale di 1MHz Es. Rb/Rs=1, rate d’informazione=1Mb/s corrisponde ad una larghezza di banda del segnale di 1MHz RETI RADIOMOBILI

Channel Coding and Modulation low Q high Q modulation demodulation Intermediate Frequency channel coding Intermediate Frequency channel decoding baseband signal baseband signal Modulation of 1MHz baseband signal into 2.4GHz band is difficult to achieve in one step RETI RADIOMOBILI

Frequenze di trasmissione Frequenza scelta sulla base di: Dimensione antenne: dim. antenna ≈ λ → alte f preferibili Attenuazione: è  f2 → basse f preferibili Capacità: aumenta al diminuire dell’area coperta, e data la potenza di trasmissione, la copertura decresce al crescere della frequenza → alte f preferibili RETI RADIOMOBILI

Propagazione di un segnale radio RETI RADIOMOBILI

Definizioni Energia per bit (Eb):energia trasmessa dal trasmettitore per bit d’informazione Potenza del segnale trasmesso: Pt=EbRb Rumore: livello di rumore sul canale di comunicazione. Con N0 si indica la densità di potenza del rumore RETI RADIOMOBILI

Potenza in dB dB = 10 log ----) P1 P2 10 W 101 Potenza Attenuazione della potenza dalla sorgente a d2 = 70dB d1 1 mW 10-3 10,000 volte 1,000 volte 1 W d2 40 dB 30 dB 10-6 sorgente RETI RADIOMOBILI

dBm (misura di potenza assoluta) 10 W = 40 dBm dB = 10 log ------- ) P1 101 1mW + 10,000 volte Potenza d1 1 mW = 0 dBm 10-3 - 1,000 volte 1 W d2 = -30 dBm 10-6 source RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nello spazio libero Sfera di raggio R Fornendo una potenza PT ad un’antenna, a distanza R otteniamo la potenza: Sorgente di potenza PT GT(R)=1 per antenne omnidirezionali RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nello spazio libero Poichè: con L’attenuazione (path loss) è: dipende dalla frequenza!! RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nello spazio libero Esempio. Valori di attenuazione in dB RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nello spazio libero PR decresce in modo quadratico con R Le proprietà di direttività dell’antenna cambiano l’attenuazione Attenuazione cresce all’aumentare della frequenza Segnale si propaga in linea retta RETI RADIOMOBILI

Propagazione reale Mezzi trasmissivi diversi dal vuoto Presenza di elementi che assorbono e diffondono il segnale Presenza di elementi che rifraggono il segnale Ostacoli che diffraggono e riflettono il segnale Ostacoli in movimento e variabili nel tempo Mobilità del trasmettitore e/o ricevitore RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Interazione tra onde elettromagnetiche e atmosfera: Gas che compongono l’atmosfera Componenti corpuscolari (gocce d’acqua in caso di pioggia o nebbia) L’atmosfera causa: assorbimento e diffusione delle onde elettromagnetiche, rifrazione, diffrazione e riflessione Attenuazione aggiuntiva a quella dovuta allo spazio libero Ci si basa su misure sperimentali e si deducono modelli matematici RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Assorbimento con diffusione 10 pioggia (mm/h) 25 65 1 L’ (dB/km) 2.3 7 0.25 ossigeno 0.1 vapor acqueo nebbia (g/m3) 0.01 5 10 20 30 40 50 f (GHz) RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Rifrazione Propagazione curvata (rifrazione) Propagazione rettilinea (mezzo omogeneo) Max distanza (“line of sight”) raggiungibile da un’antenna con altezza h: RT=6370 km raggio della terra, K va da 4/3 in zone temperate a 0.4-0.5 in zone tropicali RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Diffrazione Ostacoli di dimensione paragonabile alla lunghezza d’onda l Tali ostacoli vicini al percorso del segnale colpiti dall’onda e.m. si comportano come sorgenti secondarie onda diretta Antenna TX onde secondarie ostacolo RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Riflessione Raggio incidente Raggio riflesso Superfici di dimensione molto maggiore rispetto alla lunghezza d’onda l   Causa problemi quando segnale diretto e segnale riflesso si combinano al ricevitore TX RX RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Onda diretta e secondaria arrivano al RX seguendo cammini di lunghezza diversa -> diverso sfasamento Differenza di fase al RX = D1+ D2 - D Interferenza costruttiva: Interferenza distruttiva: D1 D2 D RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera segnale utile interferente risultante interferenza costruttiva interferenza distruttiva parzialmente distruttiva RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera I punti dello spazio che soddisfano la condizione formano il cosiddetto ellissoide di Fresnel z D R(z) In una sezione a distanza z da una delle estremità, il raggio R(z) dell’elissoide è: RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera L’ellissoide di Fresnel rappresenta l’area dove si concentra la maggior parte dell’energia dell’onda e.m. Gli effetti di un ostacolo all’interno del cammino di propagazione sono espressi in funzione del parametro n z F R(z) differenza tra l’estremita’ dell’ostacolo ed il cammino diretto RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Nota: v è positivo perché il cammino diretto attraversa l’ostacolo, quindi la punta è più alta dell’ostacolo. E’ come se il riferimento fosse posto su un asse y con l’origine sul cammino diretto. L’ostacolo ostruisce il cammino diretto: LOSS > 6 dB RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera L’ostacolo è all’interno dell’elissoide di Fresnel: 0 ≤ LOSS ≤ 4 dB RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera L’ostacolo è al di fuori dell’elissoide di Fresnel: LOSS ≥ 0 RETI RADIOMOBILI

Attenuazione nell’atmosfera Per effetto dei vari fenomeni sopracitati, la potenza di un segnale subisce: Un’attenuazione causata dalla distanza Un’attenuazione dovuta a un fenomeno “di ombreggiatura” che varia lentamente nel tempo, detto shadowing Un’attenuazione dovuta ai cammini multipli (canale multipath) che agisce su scale temporali molto veloci, detto fast fading RETI RADIOMOBILI

Shadowing intensità del segnale tempo RETI RADIOMOBILI

Fast Fading intensità del segnale tempo RETI RADIOMOBILI

Shadowing e Fast Fading RETI RADIOMOBILI

Modelli matematici L’attenuazione subita da un segnale si puo’ rappresentare tramite modelli matematici Nel caso di attenuazione dovuta a distanza e shadowing: Variabile casuale log-normale: media dipendente dalla distanza (con esponente a) e deviazione standard σ RETI RADIOMOBILI

Propagazione in ambiente urbano Al RX arrivano segnali da direzioni diverse e con ritardi diversi, a causa di diffusione, diffrazione, riflessione cammini multipli (multipath) Un RX in movimento vede la variazione spaziale come variazione del canale nel tempo RETI RADIOMOBILI

Propagazione in ambiente urbano: canale multipath -10 -20 Potenza ricevuta -30 -40 -50 -60 distanza (m) Fast fading: 20-30 dB di attenuazione RETI RADIOMOBILI

Multipath Tx Rx D1 D2 D3 D Multipath: RX riceve diverse copie del segnale originale (echi) Echi arrivano al RX con diversa ampiezza (attenuazione) e fase (ritardo di propagazione) La differenza di fase dipende da l (intrferenza costruttiva, D1+D2+D3-D=l)  l’interferenza degli stessi echi e’ diversa a frequenze diverse La propagazione di un segnale, nelle comunicazioni cellulari e’ soggetta a Riflessione: quando il segnale colpisce un ostacolo le cui dimensoni sono grandi rispetto alla lunghezza d’onda Rifrazione: alla transizione tra due materiali con differenti proprieta’ elettriche Scattering: quando il segnale colpisce un ostacolo le cui dimensoni sono piccole rispetto alla lunghezza d’onda Diffrazione: quando un ostacolo irregolare le cui dimensoni sono grandi rispetto alla lunghezza d’onda crea onde secondarie Multipath. Esistono due tipi di multipath 1 – Il ricevitore riceve il segnale originale, piu’ diverse copie piu’ deboli 2 – Il ricevitore riceve soltanto copie deboli originate dallo scattering Le copie del segnale originale si sommano in fase e generalmente si attenuano a vicenda (o si cancellano). Questo fenomeno e’ detto fading. Il caso 1 viene definito “attenuazione alla Rice” (Rician fading), perche’ l’energia dei segnali ricevuti segue una distribuzione di Rice. Nel caso 2 l’energia dei segnali ricevuti segue una distribuzione di Rayleigh. Siccome i segnali ricevuti hanno fase differente, il segnale che ne risulta e’ attenuato rispetto al segnale originale. Pertanto il caso 2 viene definito “attenuazione alla Rayleigh” (Rayleigh fading). RETI RADIOMOBILI

Parametri del canale multipath : dispersione temporale introdotta dal canale; è il massimo ritardo di propagazione introdotto dal canale BC: banda di coerenza del canale multipath. Intervallo di frequenze entro cui tutte le componenti di un segnale subiscono la stessa variazione di ampiezza e di fase =1/ BC  e BC sono proprietà statiche del canale Dispersione temporale (delay spread) piccola  gli echi arrivano vicini, seguendo percorsi simili  frequenze anche molto diverse tendono ad essere composte in modo simile al ricevitore, perche’ i cammini degli echi sono quasi identici (ci vogliono lambda molto diversi perche’ D1+D2-D porti ad avere interferenze di natura diversa) Se invece la dispersione temporale e’ elevata, e’ facile che diverse frequenze (i.e., diversi lambda) portino ad avere tipi di auto-interferenza diversa al ricevitore (D1+D2-D e’ grande, le sinusoidi sono traslate di molto l’una rispetto all’altra). La banda di coerenza mi da’ un modo facile di vedere il risultato in frequenza. RETI RADIOMOBILI

Profili di ritardo Indoor: parcheggio auto RETI RADIOMOBILI

Flat Fading Un segnale di banda B si attenua/rafforza  flat fading Avviene quando B<<Bc Rapida fluttuazione dell’ampiezza del segnale in un breve periodo di tempo dovuta al sovrapporsi di echi dello stesso segnale con fase leggermente diversa, ma il ritardo introdotto dal canale sugli echi è trascurabile Il guadagno del canale varia velocemente nel tempo ma tutte le componenti in frequenza del segnale sono trattate allo stesso modo La propagazione di un segnale, nelle comunicazioni cellulari e’ soggetta a Riflessione: quando il segnale colpisce un ostacolo le cui dimensoni sono grandi rispetto alla lunghezza d’onda Rifrazione: alla transizione tra due materiali con differenti proprieta’ elettriche Scattering: quando il segnale colpisce un ostacolo le cui dimensoni sono piccole rispetto alla lunghezza d’onda Diffrazione: quando un ostacolo irregolare le cui dimensoni sono grandi rispetto alla lunghezza d’onda crea onde secondarie Multipath. Esistono due tipi di multipath 1 – Il ricevitore riceve il segnale originale, piu’ diverse copie piu’ deboli 2 – Il ricevitore riceve soltanto copie deboli originate dallo scattering Le copie del segnale originale si sommano in fase e generalmente si attenuano a vicenda (o si cancellano). Questo fenomeno e’ detto fading. Il caso 1 viene definito “attenuazione alla Rice” (Rician fading), perche’ l’energia dei segnali ricevuti segue una distribuzione di Rice. Nel caso 2 l’energia dei segnali ricevuti segue una distribuzione di Rayleigh. Siccome i segnali ricevuti hanno fase differente, il segnale che ne risulta e’ attenuato rispetto al segnale originale. Pertanto il caso 2 viene definito “attenuazione alla Rayleigh” (Rayleigh fading). RETI RADIOMOBILI

Frequency–selective Fading Dispersione di un segnale di banda B nel tempo  frequency-selective fading Avviene quando B>Bc Gli echi sono attenuati e ritardati nel tempo, il segnale al RX è distorto in frequenza Interferenza intersimbolica: simboli adiacenti si sovrappongono a causa della dispersione temporale e il RX non riceve correttamente nessun simbolo Per evitarlo occorre limitare la velocità di trasmissione La propagazione di un segnale, nelle comunicazioni cellulari e’ soggetta a Riflessione: quando il segnale colpisce un ostacolo le cui dimensoni sono grandi rispetto alla lunghezza d’onda Rifrazione: alla transizione tra due materiali con differenti proprieta’ elettriche Scattering: quando il segnale colpisce un ostacolo le cui dimensoni sono piccole rispetto alla lunghezza d’onda Diffrazione: quando un ostacolo irregolare le cui dimensoni sono grandi rispetto alla lunghezza d’onda crea onde secondarie Multipath. Esistono due tipi di multipath 1 – Il ricevitore riceve il segnale originale, piu’ diverse copie piu’ deboli 2 – Il ricevitore riceve soltanto copie deboli originate dallo scattering Le copie del segnale originale si sommano in fase e generalmente si attenuano a vicenda (o si cancellano). Questo fenomeno e’ detto fading. Il caso 1 viene definito “attenuazione alla Rice” (Rician fading), perche’ l’energia dei segnali ricevuti segue una distribuzione di Rice. Nel caso 2 l’energia dei segnali ricevuti segue una distribuzione di Rayleigh. Siccome i segnali ricevuti hanno fase differente, il segnale che ne risulta e’ attenuato rispetto al segnale originale. Pertanto il caso 2 viene definito “attenuazione alla Rayleigh” (Rayleigh fading). RETI RADIOMOBILI

Oggetti in movimento e mobilità Se consideriamo il movimento degli oggetti circostanti e/o del TX e RX, il fenomeno del multipath è influenzato dall’effetto Doppler RETI RADIOMOBILI

Effetto Doppler (1)  vΔt Nello spazio libero: RX TX vΔt Movimento a velocità v  Il movimento relativo tra TX e RX causa uno shift in frequenza fd di ciascuna eco al RX fd = f0 v/c cos(θ) (fd = frequenza di Doppler) fd >0 se il mobile si sposta verso la direzione di arrivo del segnale, fd<0 altrimenti Frequenza percepita al ricevitore: f0 +fd RX RETI RADIOMOBILI

Effetto Doppler (2) fd0 è la massima frequenza del segnale ricevuto in seguito alla presenza dell’effetto Doppler tc = 1/fd0 è il tempo di coerenza del canale fd0 e tc sono proprietà dinamiche del canale, perchè dipendono dal movimento del RX rispetto al TX Slow fading: se tc >> ts (tempo di simbolo) canale ‘statico’ durante la trasmissione di uno o piu’ simboli Time selective (fast) fading: se tc < ts (tempo di simbolo) attenuazione diversa durante la trasmissione di un simbolo l'effetto doppler sui raggi multipath dovuto al movimento di oggetti intorno diventa trascurabile solo quando il movimento del RX rispetto al TX è piccolo rispetto a quello degli oggetti intorno fd0 grande significa che il segnale varia molto nel tempo (ho delle variazioni di frequenza percepita che sono elevate). Quindi devo cercare di trasmettere i simboli velocemente, altrimenti rischio che lo stesso simbolo arrivi al ricevitore a frequenze diverse (e.g., durante la trasmissione di un simbolo la frequenza e’ prima maggiore, poi minore, etc., mentre dovrebbe essere costante!). Viceversa per fd0 piccolo. Il tempo di coerenza fornisce un indicatore piu’ facile, nel tempo, direttamente confrontabile con il tempo di simbolo. RETI RADIOMOBILI

Canale multipath: sommario BS Fading selettivo in f e non selettivo (flat) in t Fading selettivo in f and in t BC Fading non selettivo (flat) in f and in t Fading non selettivo in f e selettivo in t tC tS RETI RADIOMOBILI

Esempio: ambiente cella piccola RETI RADIOMOBILI

Livelli di potenza ricevuta Ambiente cella piccola RETI RADIOMOBILI

Esempio: ambiente microcellulare RETI RADIOMOBILI

Livelli di potenza ricevuta Ambiente microcellulare RETI RADIOMOBILI

Dispersione temporale Ambiente microcellulare RETI RADIOMOBILI

Capacità del canale RETI RADIOMOBILI

Rapporto segnale rumore (SNR) Rapporto tra: La potenza del segnale utile al ricevitore (Pr) e La potenza del rumore presente sul canale di comunicazione (N0B) SNR = Pr / (N0B) = PtL / (N0B) =EbRb L / (N0B) Alto SNR ->alta qualità del segnale ricevuto (SNR ≥ ) SNR limita la massima velocità di trasmissione che può essere raggiunta (Shannon) RETI RADIOMOBILI

Capacità del canale Capacità (C): la velocità massima a cui l’informazione può essere trasmessa su un canale sotto certe condizioni RETI RADIOMOBILI

Formula della capacità di Shannon (capacità analogica) C = W log2 (1+SNR) = W log2 [1+EbRb/(N0W)] Rappresenta il massimo limite teorico della capacità di un canale con banda limitata e rumore bianco gaussiano additivo, in trasmissione analogica C [bit/s], W [Hz] Se Rb<C, la trasmissione priva di errori è possibile Dato un valore di Rb<C, trasmetto senza errori: con un canale a banda stretta (W piccolo) ed elevato SNR con un canale a banda larga (W grande) e SNR piccolo Un canale puo’ essere limitato in potenza (basso SNR) o in banda (SNR alto e B piccola) RETI RADIOMOBILI

Capacità del canale Esempio: la linea telefonica analogica ha banda di 3000 Hz (da 300 Hz a 3300 Hz) rapporto Segnale/Rumore 35 dB (3162) Capacità del canale risultante: C=3000 log2(3163)=34860 bit/s Il teorema di Shannon dice che il rumore limita la velocità di trasmissione a cui l’informazione può essere trasferita correttamente sul canale Sottintende l’esistenza di modulazione e codici di canale che permettono di raggiungere un certo rate (ma non dice come farli) RETI RADIOMOBILI

Efficienza spettrale Per valutare la bontà del canale reale, si misura la capacità di avvicinarsi al limite di Shannon bit rate: Rb = m/TS (bit/s) ; m: bit/simbolo banda del canale: W Efficienza spettrale: Rb / W [bit/s2] RETI RADIOMOBILI

Tecniche per la protezione dagli errori RETI RADIOMOBILI

Tecniche per la protezione dagli errori di trasmissione FEC (Forward Error Correction): codifica di canale ARQ (Automatic Retransmission reQuest) Tecniche a diversità RETI RADIOMOBILI

FEC RETI RADIOMOBILI

Codifica FEC k bit in ingresso n bit in uscita Codificatore FEC k bit n bit k bit in ingresso n bit in uscita n-k bit aggiunti per la codifica FEC Corregge al massimo t bit errati per ciascun blocco di k bit in ingresso Tipi di codifica: a blocco, convoluzionale RETI RADIOMOBILI

Codifica FEC Il TX aggiunge un codice per la correzione d’errore a una stringa di bit d’informazione Il codice è una funzione dei bit d’informazione Il RX calcola il codice per la correzione d’errore dai bit d’informazione ricevuti Se il codice calcolato è uguale a quello ricevuto -> nessun errore Altrimenti, il RX cerca di determinare i bit errati e correggerli RETI RADIOMOBILI

Codifica a blocco per controllo di errore n bit k bit utente n-k bit parità 2k possibili combinazioni Rate del codice (code rate)=k/n E’ possibile correggere al più t errori per blocco RETI RADIOMOBILI

Esempi di protezione dagli errori bit di parità (riconosce errori in numero dispari) codice a ripetizione (decisione a maggioranza: permette di correggere errori) 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 RETI RADIOMOBILI

Esempi di protezione dagli errori 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 parità di riga e colonna (consente la correzione di errori singoli) 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 RETI RADIOMOBILI

Codici convoluzionali Bit d’informazione passano in uno shift register Shift register con L elementi di k bit ciascuno e n generatori di funzioni algebriche k-bit alla volta sono immessi/rimossi nello/dallo shift register Per ogni k-bit, si generano n bit (code rate=k/n) 1 2 … k n Lk elementi Cm Xm k n Codificatore convoluzionale RETI RADIOMOBILI

Interleaving Interleaver: modifica l’ordine dei simboli inviati sul canale radio per “distruggere” la correlazione tra gli errori (errori molto correlati indeboliscono la codifica di canale) Codifica FEC Interleaver Modulatore Canale Decodifica FEC De- Interleaver De- modulatore RETI RADIOMOBILI

Blocco di n bit in uscita Interleaving Esempio: n=5 Input = 123456789ABCDEF Output (sul canale radio) = 16B27C38D49E5AF Blocco di n bit in uscita da codificatore FEC RETI RADIOMOBILI

Interleaving Supponiamo che “38D” siano in errore Gli errori sul canale radio in genere sono vicini, cioè sono correlati In ricezione: 12x4567x9ABCxEF Ora gli errori sono spazialmente distanti, quindi la loro correlazione è diminuita. Se t ≥ 1, riesco a correggere tutti gli errori RETI RADIOMOBILI

Interleaving Svantaggio: introduce ritardo A seconda del ritardo che si ritiene accettabile, è possibile effettuare un interleaving più o meno profondo Regola per definire le dimensioni della matrice di interleaving, con t=1: Numero di colonne uguale a n (1 blocco) Numero di righe maggiore o uguale alla lunghezza massima del burst di errore RETI RADIOMOBILI

ARQ RETI RADIOMOBILI

Intestazione pacchetti PDU PCI SDU Si introducono bit di parità tra le informazioni di controllo all’interno delle PDU BIT DI PARITA’ RETI RADIOMOBILI

FEC e ARQ FEC (forward error correction): i bit di parità sono usati per cercare di correggere gli errori ARQ (automatic retransmission request): i bit di parità sono usati per cercare di rivelare gli errori (CRC) RETI RADIOMOBILI

ARQ Controllo congiunto su una connessione di errore flusso sequenza Si introducono bit di numerazione tra le informazioni di controllo all’interno delle PDU PCI SDU PDU BIT DI PARITA’ NUMERA ZIONE RETI RADIOMOBILI

ARQ Tre tecniche ARQ: R T Stop and wait (Alternating bit) Go back N Selective repeat R PCI SDU PCI T RETI RADIOMOBILI

Tecniche a diversità RETI RADIOMOBILI

Diversità Basata sul concetto che canali diversi sono soggetti a fenomeni di fading indipendenti Diversità spaziale: si usano più antenne in ricezione in modo da avere segnali che subiscono attenuazioni statisticamente indipendenti. Es. antenne multiple (antenne in ricezione devono distare 10-20 λ) Diversità di frequenza: il segnale è trasmesso allo stesso momento su portanti di frequenza diverse Diversità di tempo: la trasmissione è ripetuta in istanti di tempo diversi RETI RADIOMOBILI

Accesso multiplo RETI RADIOMOBILI

f canale t Accesso Multiplo Permette agli utenti di condividere un canale comune (la banda a disposizione): FDMA: Frequency Division Multiple Access TDMA: Time-DMA CDMA: Code-DMA SDMA: Space-DMA f canale t RETI RADIOMOBILI

Rapporto segnale (interferenza + rumore) Rapporto tra: La potenza del segnale utile al ricevitore e La potenza dell’interferenza + rumore presenti sul canale di comunicazione SINR = Pr / (N0B+I) = EbRb / L (N0B+I) Alto SINR ->alta qualità del segnale ricevuto RETI RADIOMOBILI

FDMA f t Divisione del canale in bande di frequenza Occorrono bande di guardia per evitare interferenza f t RETI RADIOMOBILI

f t TDMA Divisione in intervalli di tempo distinti Occorrono trame temporali che si ripetono Occorrono intervalli di tempo di guardia per evitare interferenza f t RETI RADIOMOBILI

f c t CDMA Divisione ottenuta tramite codici diversi Occorrono codici ortogonali per evitare interferenza f c t RETI RADIOMOBILI

CDMA L’esempio classico per “spiegare” CDMA e’ il CDMA Cocktail Party. Al CDMA Cocktail Party ci sono invitati che parlano molte lingue diverse. Nella stanza dove si svolge il Party ci sono parecchie conversazioni in corso in contemporanea. Se ogni conversazione si svolge in una lingua diversa l’insieme suonera’ come un brusio di fondo. Chi conosce una delle lingue parlate al party si puo’ concentrare su quella conversazione ed ascoltare solo quella “filtrando via” tutte le altre. Un sistema CDMA gestisce le trasmissioni in maniera simile. Per proseguire l’analogia…. Un alternativa potrebbe essere quella di dividere le persone in gruppi molto distanti gli uni dagli altri in modo che coloro che partecipano ad una conversazione non possano sentire nulla delle altre conversazioni. Questo e’ FDMA. Un’altra alternativa potrebbe essere quella di far parlare le persone a turno: quando uno parla, gli altri tacciono. Questo e’ TDMA. RETI RADIOMOBILI

CDMA Ciascun bit del segnale digitale e’ combinato con uno spreading code Gli utenti che accedono al medesimo canale usano chipping code ortogonali (prodotto scalare nullo) [1,1,-1,-1] x [1,-1,-1,1] = (1*1)+(1*-1)+(-1*-1)+(-1*1) = 1-1+1-1 = 0 nodo A nodo B + - + - canale + - + = RETI RADIOMOBILI

CDMA Ciascun ricevitore e’ in grado di ricostruire l’informazione usando lo spreading code corrispondente al proprio trasmettitore ricevitore nodo A ricevitore nodo B + - + - canale + - RETI RADIOMOBILI

Tecniche di accesso per comunicazioni mobili FDMA (TACS) P T F FDMA+TDMA (GSM) CDMA (IS-95) The figure summarises the basic concepts driving the possible radio access schemes: FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Access). For each, the related radio resource usage mechanisms are highlighted in the time, frequency and power domains. In the light of the most recent developments, the most innovative access technique in the field of mobile services is the Code Division Multiple Access (CDMA) technique. In January 1998 ETSI took an important decision about the radio access technique to be used for UMTS: for the asymmetrical portion of the spectrum available for UMTS, a hybrid solution based on a TDMA + narrow band CDMA scheme has been chosen for the symmetrical portion of the spectrum, a wide band CDMA scheme has been adopted. The former solution is thought mainly for in-door applications, the latter for public/outdoor/high mobility services. The Code Division Multiple Access (CDMA) belongs to the family of spread spectrum techniques. The following figures are recalling just some of the basic concepts on which the CDMA technique is based; this is done just to supply some background information to facilitate the comprehension of the subsequent network considerations. P - Power T - Time F - Frequency RETI RADIOMOBILI

Fattore di riuso della frequenza FDMA/TDMA CDMA La pianificazione delle frequenze e’ una necessita’ per un sistema TDMA/FDMA, come ad esempio il GSM. I terminali mobili di una cella devono utilizzare una frequenza differente da quelli di una cella adiacente per evitare interferenze: il ricevitore infatti non saprebbe come distinguere i due segnali. La stessa frequenza puo’ essere riutilizzato ad un paio di celle di distanza. In GSM la pianificazione tradizionale vede l’utilizzo di un settimo dello spettro frequenziale disponibile in ogni cella. In altre parole, una singola frequenza e’ riutilizzata ogni sette celle. E’ quindi possibile calcolare in modo esatto la capacita’ del sistema. In CDMA, la stessa frequenza e’ utlizzata in tutte le celle. Tutti i terminali utilizzano l’intero spettro disponibile in ogni momento. RETI RADIOMOBILI

Comunicazione full-duplex Frequency-division duplex (FDD): ogni canale bi-direzionale usa 2 frequenze opportunamente distanziate sullo spettro ricevitore discrimina tra le 2 frequenze (filtraggio), fatto all’interno della stessa antenna (duplexer) Time division duplex (TDD): ogni canale bidirezionale usa un’unica frequenza posso o trasmettere o ricevere su questa frequenza in un dato istante trasmissione e ricezione sono disgiunte temporalmente e sincronizzate in modo da rispettare le relative finestre RETI RADIOMOBILI

Trasmissione a larga banda Tecniche spread spectrum RETI RADIOMOBILI

Wideband vs. Narrowband Banda stretta (Narrowband): FDMA, FDMA/TDMA Banda larga (Wideband): CDMA Utilizza la tecnica spread spectrum Esempio: AM and FM (radio) trasmettono su una banda stretta (4 kHz and 15 kHz) e l’intera energia del segnale è concentrata intorno alla frequenza centrale In CDMA l’energia del segnale è distribuita equamente (spread) sull’intera banda di frequenza RETI RADIOMOBILI

Wideband vs. Narrowband RETI RADIOMOBILI

Banda larga: caratteristiche Un segnale d’informazione è tipicamente a banda stretta (es., segnale vocale ~10 kHz) la larghezza di banda del segnale d’informazione viene allargata La densità di potenza, potenza per ogni componente in frequenza, è piccola In un sistema a larga banda, gli utenti trasmettono sotto il rumore di fondo In TDMA gli utenti trasmettono sopra RETI RADIOMOBILI

Spreading del segnale Due tecniche utilizzate per fare spread spectrum Frequency Hopped Spread Spectrum Direct Sequence Spread Spectrum Spread Spectrum. I sistemi CDMA sono spesso anche identificati come “Spread Spectrum Systems”, siccome il segnale inviato occupa tutta la banda disponibile. Delle due tecniche indicate, il Frequency Hopping e’ la piu’ complicata (tra l’altro per limiti tecnologici). La tecnica piu’ efficienza e’ il Direct Spread. RETI RADIOMOBILI

Spreading del segnale Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS): il segnale originale è trasmesso saltando da una frequenza all’altra, secondo una sequenza pseudo-casuale. TX e RX condividono: seme generatore di numeri casuali fase Spread Spectrum. I sistemi CDMA sono spesso anche identificati come “Spread Spectrum Systems”, siccome il segnale inviato occupa tutta la banda disponibile. Delle due tecniche indicate, il Frequency Hopping e’ la piu’ complicata (tra l’altro per limiti tecnologici). La tecnica piu’ efficienza e’ il Direct Spread. RETI RADIOMOBILI

Spreading del segnale TX RX RETI RADIOMOBILI

Spreading del segnale Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS): il segnale originale è moltiplicato per una sequenza pseudocasuale di spread (spreading code o pseudo-random code (PC)), che è un segnale a larga banda (wideband) Spread Spectrum. I sistemi CDMA sono spesso anche identificati come “Spread Spectrum Systems”, siccome il segnale inviato occupa tutta la banda disponibile. Delle due tecniche indicate, il Frequency Hopping e’ la piu’ complicata (tra l’altro per limiti tecnologici). La tecnica piu’ efficienza e’ il Direct Spread. RETI RADIOMOBILI

Direct Sequence Spread Spectrum Consideriamo un impulso rettangolare R(t) di ampiezza +1 e durata Tb (1 bit/simb.) La sua trasformata di Fourier è un sinc(x)=sin(x)/x, dove il primo zero si trova a f=1/Tb. RETI RADIOMOBILI

Direct Sequence Spread Spectrum Consideriamo ora un treno di impulsi periodici, con ampiezza +1 e –1, e durata Tb. La trasformata di Fourier è di nuovo del tipo sin(x)/x Obiettivo: “allargare” nel dominio della frequenza RETI RADIOMOBILI

Direct Sequence Spread Spectrum “Allargare” nel dominio della frequenza significa “ridurre” Tb RETI RADIOMOBILI

Direct Sequence Spread Spectrum Ridurre Tb è equivalente ad aumentare 1/ Tb (Rb), che è il bit rate Il segnale originale D(t) non può essere modificato direttamente, quindi viene moltiplicato per un codice S(t) che ne aumenti il bit rate e ne allarghi la banda Ad ogni singolo bit (“+1” o “-1”) si fa corrispondere una sequenza di “+1” e “-1”, ognuno dei quali è detto chip (per semplicità: “+” e “-”) La trasmissione di un chip ha durata Tc Processing Gain = chip rate / bit rate Il termine viene dall’uso di CDMA per sistemi militari: e’ il guadagno contro qualcuno che cerca di danneggiare la comunicazione trasmettendo appositamente una forte intereferenza su una particolare frequenza. Chip: al ricevitore riesco a distinguere le diverse copie create dal multipath purche’ siano distanziate di almeno 1 chip. RETI RADIOMOBILI

Spreading (1) 4 chip/bit GD(f) D(t) 1 t -1 1/Tb = B S(t) GS(f) 1 t f 1/Tc 1/Tb GD(f) GS*GD convolutional product = B = W D(t) S(t) 1 -1 t This figure represents (using both time and frequency domains) the sequence previously described. The three steps are those preceding modulation and transmission. Sequences c(t) are generated by a shift registers. Each PN sequence has a period tied to the number of stages characterising the shift register. The sequences must be as far as possible orthogonal to each other. Both long and short PN sequences are used. The former simplifies the code management but induce a greater complexity in the interference control. The latter induces opposite effects. 1 -1 t S(t)D(t) RETI RADIOMOBILI

Spreading (2) Processing Gain: Spreading Factor (SF): W = banda del segnale trasmesso (allargato) B= banda del segnale di informazione Spreading Factor (SF): Numero di chip per simbolo PG includes all the processing functions between the information source and the transmitting antenna (e.g. Error correction codes are included in PG) . SF only includes the spreading operation, i.e. the multiplication for the orthogonal code sequence. RETI RADIOMOBILI

DSSS: Procedura Regola (al TX) XOR del bit d’informazione e i bit della sequenza di spreading Per ogni bit d’informazione pari a 1, lo pseudo-random code (PC) è lasciato inalterato e mandato al RX Per ogni bit d’informazione pari a -1, i chip del PC sono invertiti, e mandati al RX Il numero di chip inviati al secondo per bit d’informazione è detto chip rate RETI RADIOMOBILI

DSSS: Procedura Regola (al RX) La sequenza di spreading deve essere nota al TX e al RX Il RX effettua il despreading eseguendo l’operazione di XOR tra il segnale ricevuto e il PC RETI RADIOMOBILI

Despreading R(t) 1 t -1 S(t) 1 t -1 D(t) 1 t -1 Con l’operazione di “despreading”, La banda del segnale utile viene “ristretta” (l’operazione e’ l’inverso dello spreading). La banda di una eventuale interferenza ad una determinata frequenza viene allargata. Il risultato e’ che il segnale utile, al ricevitore, ora ha tutta la potenza concentrata su una banda stretta e lo posso recuperare con un filtro passabanda. La potenza di un eventuale segnale interferente e’ stata invece “ripartita” su tutte le frequenze e quindi l’intereferenza e’ stata resa piu’ “innocua”. 1 t -1 D(t) RETI RADIOMOBILI

Despreading Spettro Noise Signal f Signal Spread noise f B W f Signal Spread noise B W f The above three steps show what on the receiving side is performed, after demodulation. Only the frequency domain is considered. If the signal resulting after demodulation z(t) is undergoing a narrow band interference, this is spread in frequency by the wide band sequence c(t). The same code is completely recovering within its natural bandwidth the original signal b(t). The rate Rc/Rb between the c(t) bandwidth and the bandwidth of the original signal b(t) is named processing gain. It indicates the reduction factor of the interference power with respect to that of the original signal. Dopo il filtraggio, la potenza del rumore è ridotta di un fattore pari a PG=W/B B f RETI RADIOMOBILI

Allargamento della banda (DSSS) r(t) La moltiplicazione di due segnali non correlati e’ un segnale il cui spettro e’ la convoluzione dei due spettri inziali. Il segnale digitale utile (D) ha un rate R. Il segnale di spreading (S) ha una banda W. S*S = 1 (l’autocorrelazione di un segnale di spreading e’ 1) Se il segnale D ha una banda piu’ stretta del segnale di spreading S (W>>R), il segnale risultante dalla moltiplicazione, definito T, avra’ una banda prossima a quella del segnale di spreading. Al demodulatore, il segnale ricevuto (T) viene moltiplicato esattamente per lo stesso segnale di spreading S. Assumendo che il segnale ricevuto ed il segnale di spreading al ricevitore siano perfettamente allineati (sincronizzati), il segnale risultante sara’ il segnale digitale originario D, perfettamente ripristinato (piu’ qualche componente spuria in alta frequenza che posso filtrare). Inoltre, se al ricevitore arriva qualche segnale di disturbo F a qualche frequenza, il segnale di spreading agira’ su di esso esattamente come aveva fatto al trasmettitore sul segnale originario. Pertanto la potenza del segnale di disturbo verra’ distribuita sulla banda W e se la sua potenza e’ J watts, la sua densita’ media sara’ identica a quella di un rumore a banda larga No = J/W watts/Hz. Il segnale di disturbo e’ stato quindi “trasformato” in rumore e puo’ essere trascurato. Riassumendo moltiplicare per il segnale di spreading UNA volta allarga la banda moltiplicare per il segnale di spreading DUE volte, piu’ un filtro, recupera il segnale originario Il segnale utile viene moltiplicato DUE volte. Il segnale di disturbo viene moltiplicato UNA volta R(t)= D(t)S(t) + n(t) noise spreading R(t)S(t)= D(t)S2(t) + n(t)S(t) = D(t) + n(t)S(t) RETI RADIOMOBILI

Codici e segnali ortogonali PC1 ┴ PC2: Definendo il prodotto scalare tra due segnali: Due segnali ortogonali (supponiamo segnali a energia unitaria) sono t.c.: RETI RADIOMOBILI

Spreading e despreading Tx1(t)= <D1(t),S1(t)> ; Tx2(t)= <D2(t),S2(t)> Segnale ricevuto R1(t)= <D1(t),S1(t)> + n(t) + <D2(t),S2(t)> Despreading <R1(t)S1(t)> = <D1(t),S1(t),S1(t)> + <n(t),S1(t)> + <D2(t),S2(t),S1(t)> = D1(t) + <n(t),S1(t)> RETI RADIOMOBILI

Esempio Al trasmettitore: spreading (SF=4) d - + PC tx = d * PC D(t) = segnale di informazione C(t) = codice di allargamento (spreading code) Tx = segnale trasmesso Lo spreading code C(t) ha un rate quattro volte superiore al segnale di informazione D(t).Ad ogni bit del segnale di informazione corrispondono 4 chip. Il rate di trasmissione, e quindi la frequenza di trasmissione, sono stati aumentati di un fattore 4. Moltiplicazione: - * - = + - * + = - + * - = - + * + = + RETI RADIOMOBILI

Spreading S(t) Lo spreading “allarga” la banda del segnale utile, distribuendo la sua potenza su tutta la banda. Non si ha piu’ quindi, come nei sistemi tradizionali, un picco di potenza attorno ad una singola frequenza, ma un potenza bassa ripartita su tutte le frequenze. RETI RADIOMOBILI

Esempio Al ricevitore: despreading (SF=4) r - + PC r * PC = d Rx = segnale ricevuto Rx = Tx (assumendo che non ci siano errori durante la trasmissione) Conoscendo il codice di trasmissione il ricevitore puo’ recuperare il segnale originale applicando nuovamente la funzione di moltiplicazione. RETI RADIOMOBILI

Robustezza all’interferenza: multipath In sistemi a banda larga siamo in grado di distinguere tra le diverse copie create dal multipath Si può fare solo in sistemi a larga banda: per distinguere gli echi occorre che TS sia sufficientemente piccolo Si può usare un rake receiver (receiver multipath diversity): possiede diverse “fingers”, ognuna delle quali riesce a ricevere una delle tante copie del segnale originale che arrivano al ricevitore RETI RADIOMOBILI

Robustezza all’interferenza: multipath Grazie all’uso del rake receiver, le tecniche SS sono in grado di combattere il multipath Lo SF varia in base: Al tipo di informazione da trasmettere (e quindi del bit rate del servizio) Se si ha flessibilità nella scelta del bit rate, al grado di protezione al multipath che si vuole ottenere RETI RADIOMOBILI

Banda larga: vantaggi Maggiore robustezza all’interferenza Auto-interferenza (multipath) Interferenza causata intenzionalmente (jamming) Interferenza dovuta all’accesso multiplo Potenza di trasmissione più bassa Grazie al controllo di potenza Meno pericolosa e meno interferenza verso altre tecnologie Facile da implementare (non richiede un’accurata pianificazione delle frequenze) RETI RADIOMOBILI