Appunti Sistemi di telecomunicazioni

N (W/N )N N WN

u u 0 u 0

e al livello del sistema: ( )

P N

n u

C = N C = W log 1 +

u n 2 WN

0

Dunque dato un banda di del segnale di ingresso W, incrementando il numero di utenti possi-

amo incrementare la capacità al livello sistema ma diminuire quella relativa al singolo utente.

Capacità TDMA

La capacità del sistema in TDMA per l’ennesimo utente risulta uguale al FDMA:

( ) ( )

P N

P

1 1 n u

n

C = W log 1 + = W log 1 +

n 2 2

N (W/N )N N WN

u u 0 u 0

e al livello del sistema sarà anch’essa uguale: ( )

P N

n u

C = N C = W log 1 +

u n 2 WN

0

Dunque dato un banda di del segnale di ingresso W, incrementando il numero di utenti non pos-

siamo limitare la potenza media P.

Capacità CDMA non cooperativo

CDMA non cooperativo è il tipo tradizionale di CDMA, dove ogni utente opera in modo in-

dipendente senza coordinamento con gli altri utenti della rete. La capacità per l’ennesimo utente

risulta: ( )

P

n

C = W log 1 +

n 2 WN + (N ≪ 1)P

0 u n

e al livello del sistema: ( )

P/N

u

C = N C = N W log 1 +

u n u 2 WN + (N ≪ 1)P/N

0 u u

Multiplazione Sistemi di Telecomunicazioni 137

Capacità CDMA cooperativo

CDMA cooperativo implica una forma di collaborazione tra utenti per migliorare l'efficienza del sis-

tema e ridurre le interferenze. In questo approccio, gli utenti possono coordinarsi tra loro per ot-

timizzare le comunicazioni. La capacità per l’ennesimo utente risulta:

( )

P/N

u

C = W log 1 +

n 2 WN

0 cell breathing

Parliamo ora di un effetto laterale negativo del CDMA ovvero il si riferisce all'es-

pansione e contrazione dell'area di copertura di una cella in una rete cellulare CDMA a causa

della variazione del carico di traffico e della qualità del segnale. È un fenomeno che può verificarsi

reti cellulari che utilizzano CDMA

in (Code Division Multiple Access), e può influenzare la

qualità del servizio e la capacità della rete. Questo problema non è specifico del Direct Se-

quence Spread Spectrum (DSSS) o del Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), ma può

essere associato a CDMA in generale.

Figura 7.22 Cell breathing in CDMA

In un sistema CDMA, tutte le celle condividono la stessa banda di frequenze e utilizzano codici di

spreading per separare i segnali. La capacità della rete è limitata dalla qualità del rapporto seg-

nale-interferenza. Quando una cella è più affollata (ad esempio, con un alto numero di utenti),

l'interferenza intracellulare aumenta, riducendo la qualità del segnale (QoS) per gli utenti all'interno

la cella può apparire più "piccola"

della cella. A causa dell'aumento dell'interferenza, in ter-

mini di copertura effettiva. Gli utenti situati ai margini della cella possono sperimentare una

degradazione della qualità del servizio e potrebbero essere costretti a passare a celle adiacenti.

Questo effetto di "respirazione" provoca una variazione dinamica nella dimensione dell'area di

copertura della cella, espandendosi e contraendosi in base al carico di traffico e alle condizioni di

interferenza.

In conclusione volendo fare un confronto tra le varie capacità dei sistemi che usano tecniche ad

accesso casuale rispetto il limite teorico di Shannon, abbiamo:

Multiplazione Sistemi di Telecomunicazioni 138

• FDMA: La capacità è divisa tra diversi canali di frequenza. Non raggiunge il limite di Shannon

poiché l'efficienza spettrale è ridotta dalle bande di guardia. Limite inferiore alla capacità di

Shannon per la stessa larghezza di banda complessiva.

• TDMA: La capacità è divisa tra diversi slot di tempo. Anche in questo caso, la sincronizzazione

e il sovraccarico di frame riducono l’efficienza. Potenzialmente più vicino alla capacità di Shan-

non rispetto a FDMA, ma con overhead temporali.

• CDMA non cooperativo: La capacità effettiva è inferiore al limite di Shannon a causa dell’inter-

ferenza intracellulare. Gli utenti condividono lo stesso spettro e le interferenze tra i segnali pos-

sono ridurre l'efficienza spettrale.

• CDMA cooperativo: La cooperazione tra utenti può avvicinarsi al limite di Shannon, migliorando

l’efficienza spettrale e la capacità del sistema. L'uso di tecniche cooperative riduce l'interferen-

za e migliora il SNR effettivo, avvicinandosi ai limiti teorici di capacità.

Duplexing trasmettere e ricevere

Il duplexing si riferisce alla capacità di un sistema di comunicazione di

dati simultaneamente. In altre parole, è il metodo utilizzato per gestire la comunicazione bidi-

Time Divi-

rezionale tra trasmettitore e ricevitore. Esistono due principali tecniche di duplexing:

sion Duplexing (TDD) Frequency Division Duplexing (FDD).

e Queste tecniche sono cru-

ciali per ottimizzare l'uso delle risorse di rete e garantire una comunicazione efficiente e continua.

Figura 7.23 Duplxing: FDD e TDD

Frequency Division Duplexing (FDD)

Frequency Division Duplexing (FDD) due bande di frequenza separate,

utilizza una per

la trasmissione (uplink) e una per la ricezione (downlink). Queste bande sono allocate in modo

fisso e sono distinte per evitare interferenze tra i segnali di uplink e downlink. FDD è ampiamente

utilizzato in tecnologie come le reti GSM e LTE (Long Term Evolution). In queste reti, le frequenze

di uplink e downlink sono separate da una guard band per evitare interferenze. Permette la

Multiplazione Sistemi di Telecomunicazioni 139

trasmissione e la ricezione simultanea dei dati, garantendo una comunicazione continua. È ideale

traffico simmetrico,

per applicazioni con dove i volumi di dati di uplink e downlink sono com-

parabili. Richiede due bande di frequenza distinte, aumentando l'uso dello spettro. Meno

flessibile rispetto al TDD in ambienti con traffico asimmetrico.

Time Division Duplexing (TDD)

Time Division Duplexing (TDD) una singola banda di frequenza

utilizza per entrambe le

direzioni di trasmissione, alternando il tempo di trasmissione tra uplink e downlink. In altre parole,

il canale è diviso in intervalli temporali e ogni intervallo è dedicato alternativamente alla trasmis-

sione e alla ricezione. TDD è utilizzato in tecnologie come WiMAX e alcune varianti di LTE (LTE-

traffico

TDD). In questi sistemi, la divisione temporale permette di adattarsi meglio ai requisiti di

asimmetrico. Maggiore efficienza spettrale poiché utilizza una singola banda di frequenza.

Flessibilità nell'adattamento a traffico asimmetrico, permettendo di allocare più tempo a uplink o

downlink in base alle esigenze. Richiede sincronizzazione precisa per evitare interferenze tra up-

link e downlink. Può introdurre latenza dovuta all'alternanza temporale delle trasmissioni.

Il duplexing, attraverso le tecniche FDD e TDD, rappresenta un elemento fondamentale nella

progettazione delle reti di telecomunicazione. Queste tecniche permettono di ottimizzare la co-

municazione bidirezionale, migliorando l'efficienza spettrale e la qualità del servizio (QoS). Inte-

grando FDD e TDD con le tecniche di accesso multiplo, diversità, modulazione adattiva, codifica,

reti di comunicazione altamente efficienti e ro-

MIMO e scheduling, è possibile creare

buste, capaci di adattarsi alle diverse condizioni del canale e alle esigenze degli utenti.

Tecniche di accesso casuale

Nelle reti di comunicazione, la gestione dell'accesso a un mezzo trasmissivo condiviso è cruciale

per garantire un utilizzo efficiente delle risorse e una comunicazione fluida tra i dispositivi. Nelle

configurazioni tradizionali di accesso multiplo, l'accesso al canale è spesso gestito da un coordi-

in scenari dove

natore centrale che assegna risorse e pianifica i turni di trasmissione. Tuttavia,

la comunicazione avviene in modo dinamico e le risorse devono essere condivise

tra molti dispositivi senza un coordinatore centrale, le tecniche di accesso casuale di-

ventano fondamentali.

Nei sistemi di multiplexing tradizionali, come il multiplexing a divisione di tempo (TDM) e la multi-

plexing a divisione di frequenza (FDM), un coordinatore centrale è responsabile della gestione e

dell'assegnazione delle risorse. Questo approccio è efficace quando le trasmissioni hanno una

durata fissa e significativa, giustificando l'overhead associato alla pianificazione e alla seg-

inefficiente nelle reti a pacchetto,

nalazione. Tuttavia, questa metodologia può risultare dove

Multiplazione Sistemi di Telecomunicazioni 140

i dati sono trasmessi in brevi burst e la necessità di coordinamento centrale può introdurre ritardi

e overhead aggiuntivi.

Le tecniche di accesso casuale emergono come una soluzione per ambienti in cui non esiste un

coordinatore centrale. In queste reti, tutte le stazioni competono per accedere a un canale co-

mune, e non vi è un piano predefinito su quando e come ogni dispositivo può trasmettere. Le

stazioni devono quindi adottare un approccio distribuito per determinare quando è il momento

giusto per trasmettere. Le tecniche di accesso casuale sono progettate per consentire ai dispos-

itivi di trasmettere i loro dati quando il canale sembra libero e gestire le collisioni che possono

L'assenza di un

verificarsi quando più dispositivi tentano di trasmettere contemporaneamente.

coordinatore centrale richiede che i dispositivi seguano protocolli che minimizzano

le collisioni e gestiscono le ritrasmissioni in modo efficiente. Le tecniche di accesso

reti

casuale sono particolarmente importanti nelle reti di comunicazione moderne, come le

wireless e le reti Ethernet, dove i dispositivi condividono un canale comune senza un coor-

dinatore centrale. Questi protocolli distribuiti permettono una gestione flessibile e scalabile del-

l'accesso al mezzo trasmissivo, riducendo l'overhead associato alla coordinazione centralizzata e

migliorando l'efficienza complessiva della rete.

ALHOAnet

ALOHAnet è stata una delle prime reti di comunicazione a utilizzare una tecnica ad accesso

casuale. Sviluppata all'Università delle Hawaii, ALOHAnet permetteva ai nodi di trasmettere dati

su un canale radio condiviso senza coordinamento centralizzato, tipicamente tra campus univer-

sitari distanti 100 km. Ho un canale da 100 kHz con portanti di uplink e downlink a 407.350

gesti-

MHz e 413.475 MHz, siamo a FDD (Frequenza Division Duplexing). Ciascun canale viene

to con un algoritmo semplice:

• se hai un pacchetto trasmettilo, poi aspettati una conferma (tipo protocolli ARQ come stop and

wait).

• se non l