Sistemi TDMA tecniche d\'accesso a divisione di tempo PDF

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tecnica usata dai sistemi mobili di seconda generazione...

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2.2.3 TDMA multiportante (FDMA/TDMA)! Possiamo applicare le tecniche di multiplazione a divisione di tempo e di frequenza in maniera congiunta, in sostanza suddivido lo spettro in sottobande ognuna caratterizzata da una frequenza principale(FDM) e su quella trasmetto applicando il principio TDM, questa è la soluzione adottata nei sistemi di seconda generazione(GSM). Quindi in questo caso specifico avremo che il canale fisico(quello cioè individuato da un parametro di tipo fisico) è definito dalla portante con cui trasmetto, mentre il canale logico è rappresentato dallo slot in cui trasmetto. Le caratteristiche salienti di questa tecnica sono: !

- la possibilità di sfruttare piú connessioni in un unica portante. - mi basta un singolo apparato(un po piú costoso) che supporta piú connessioni ma che a fronte -

di piú apparati per supportare lo stesso numero di canali mi risulta piú conveniente economicamente.! è possibile che l’handover avvenga in uno slot temporale che coinvolge un altro canale, ciò quindi ci evita di far cadere la chiamata e sfruttare i “tempi morti” degli altri canali.! Necessità di una buona sincronizzazione(costoso) Possibilità di sfruttare un frequency hopping combinato, legato al canale logico assegnato

2.2.4 Code Division Multiple Access (CDMA) Passare ad una soluzione di multiplazione a divisione di codice distribuita porta dei problemi sostanziali. Ricordiamo che il cdm si basa sul principio di trasmissione contemporanea(stessa frequenza e stesso istante) di tutti i flussi di interesse, che verranno discriminati fra loro grazie a delle particolari parole di codice ortogonali fra di loro, il punto critico è proprio questa ortogonalità perché se i flussi sono centralizzati(quindi partono da una stessa sorgente) non ci sono problemi ma quando partono da dispositivi dislocati in punti diversi, ad esempio le MS all’interno di una cella, i ritardi di trasmissione genereranno degli shift di fase che mi “disortogonalizzano” i segnali. Il requisito quindi e quello che la x-correlazione abbia un valore molto basso(che simile al discorso sull’auto-correlazione che facevamo prima ma)"

T

Ú C1(t)⋅ C2(t) = 0 0

T

ÚC1(t )⋅C2(t +D) ≠ 0 0

Per portare un esempio consideriamo le seguenti sequenze di codice: -0101-; -0011-; -0110-. n

n

Facendo la verifica di ortogonalità possiamo accertarci che tali codici sono tra loro ortogonali, e che tra il primo ed il secondo, così come tra il primo ed il terzo, l'ortogonalità viene mantenuta anche se la sequenza di uno di essi subisce uno slittamento (anticipo o ritardo) di uno o più Chip. Se analizziamo invece il terzo codice possiamo constatare che, per un suo eventuale slittamento in ritardo di un Chip, esso non solo ne perde l'ortogonalità verso il secondo, ma addirittura potrebbe emularlo.

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Si utilizzano codici pseudo ortogonali che mantengono bassa la cross correlazione anche in seguito a degli shift, tipicamente sono molto lunghi, poiché la x-correlazione è inversamente proporzionale alla lunghezza della parola di codice.! ATT!!! avevamo detto prima che il problema dello shift delle parole di codice si presentava solo quando i flussi partivano da sorgenti diverse, in realtà anche quando partono dalla stessa sorgente si puó avere il problema dello shift perché differenti flussi possono seguire differenti percorsi(problema del multipath)!

C (t) s(t)

sM(t) Abbiamo il segnale formato dal ripetersi della parola di codice C(t) e il segnale che vogliamo inviare sulla linea s(t) notiamo che il segnale codificato s_m(t) richiede una banda maggiore rispetto ad s(t) questo perché l’aumento della bitrate di trasmissione dovuto al prodotto fra s(t) e C(t) (e quindi la minore durata del singolo impulso) mi fa aumentare la banda necessaria alla trasmissione del mio segnale(sappiamo che il primo nullo del sinc, che si ottiene come trasformata di Fourier dell’impulso rettangolare, è inversamente proporzionale alla durata temporale dell’impulso), inoltre poiché si ha che il picco è pari a T, quando T diminuisce diminuisce il picco e quindi abbiamo un segnale la cui densità di potenza e minore rispetto a quello precedente.!

Abbiamo sempre detto fino ad adesso che lo spettro è una risorsa importante, potrebbe quindi sembrare un controsenso il fatto che questa tecnica di per se lo fa aumentare, in realtà in questo caso particolare posso permettermi di farlo visto che poi i segnali verranno discriminati dai codici. Si noti che l’aumento della banda e proporzionale al numero di chip usati nella parola di codice, infatti se i simboli del nostro segnale s(t) hanno un periodo T e le parole di codice sono n, dopo il prodotto scalare otterremo simboli di periodo pari ad T/n e quindi per la trasformata di Fourier uno spostamento in banda di n/T."

S(f) B

f

SM(f) nB

f

Spreading dello sprettro n numero di chip del codice: ฀spreading factor฀(SF)

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!

sM1(t) + nB

sM2(t)

f

Con la decodifica in teoria dovremmo annullare tutti gli altri, ma per le non idealità citate prima, quello che accade dopo la decodifica(despreading) e che il mio segnale ritorna come era prima(supposto che abbiamo una buona autocorrelazione), il resto rimane come disturbo di sottofondo, il segnale utile sarà comunque predominante rispetto agli altri, quindi mi basta un filtraggio per riottenere quasi fedelmente il mio segnale.! A questo punto il filtraggio effettuato dal ri ce vi tore ri duce ult er iorm ent e il contributo di potenza interferente. Tutto ciò va bene fin tanto che i segnali di disturbo sono in un numero tale da potersi considerare trascurabili, questo quindi va contro quanto si era detto prima riguardo al fatto di avere una capacita di canale illimitata.(vista sempre come numero di connessione attivabile contemporaneamente).!

f

nB

f

B

De-spreading

L a Te c n i c a C D M A h a a l c u n e caratteristiche intrinseche che ci possono tornare utili:!

- sicurezza: infatti l’abbassamento di

-

f

f

B B potenza dovuto allo spreading fa implica che il segnale si confonda con il rumore “naturale” presente sul canale il che lo rende quindi molto difficile da intercettare.! robustezza: la necessità di effettuare una decodifica in ricezione ha come effetto secondario che tutti gli eventuali segnali di disturbo che si sommano durante la propagazione del segnale(giallo) subiscono uno spreading al ricevitore(perché dal punto di vista del segnale di disturbo la decodifica e come se fosse una codifica) ne segue quindi che la densità di potenza diminuirà il che ci torna utile.!

Andiamo a fare ora un esempio pratico di utilizzo della tecnica CDMA. Supponiamo per semplicità che non ci siano problemi di sincronismo e che non ci sia disturbo, inoltre supponiamo che la potenza delle sorgenti sia la stessa. Il trasmettitore A invia un bit Ad=1 utilizzando la parola di codice Ak=010011, supponendo che il tipo di codifica utilizzata assegni ai bit 0 valore -1 e ai bit 1 valore 1 avremo che il segnale risultante sarà As =(-1,1,-1,-1,1,1). Similmente il trasmettitore B

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invia un Bd =0 utilizzando la parola di codice Bk=110101, il risultato sarà Bs =(-1,-1,1,-1,1,-1). Inviando i segnali sappiamo che si sommeranno quindi As+Bs =(-2,0,0,-2,2,0)! In ricezione eseguendo il prodotto scalare con le relative parole di codice otterrò:! Ae=(-2,0,0,-2,+2,0)•Ak=2+0+0+2+2+0=6! Be=(-2,0,0,-2,+2,0)•Bk=-2+0+0-2+0+0=-4! Questo risultato mi fa capire che A ha trasmesso un 1 mentre B uno 0. Questa però è la situazione ideale, in presenza di rumore potrebbe accadere che qualche bit si modifica(quello in rosso) ad esempio si potrebbe avere: As =(-1,1,1,-1,1,1) similmente a come fatto prima si avrà allora ! As+Bs =(-2,0,2,-2,2,0) e in ricezione:! Ae=(-2,0,2,-2,+2,0)•Ak=2+0-2+2+2+0=4! Be=(-2,0,2,-2,+2,0)•Bk=-2+0+0-2+0+0=-4! il risultato ottenuto in seguito al 3 bit compromesso mi permette comunque di dire lo stesso che il bit trasmesso era un 1 quindi questo fa capire la robustezza della tecnica CDM. Rimuoviamo adesso l’ipotesi di medesima potenza di trasmissione(in particolare supponiamo che la potenza di B sia 5 volte quella di A).! As=Ad*Ak =(-1,+1,-1,-1,+1,+1)! Bs= Bd* Bk = (-1, -1, +1, -1, +1, -1)! Quindi:! As+5*Bs =(-1, +1, -1, -1, +1, +1)+(-5, -5, +5, -5, +5, -5)= (-6,-4,+4,-6,+6,-4).! Decodificando avrei:! Be= (-6,-4,+4,-6,+6,-4) • Bk = (-6,-4,-4,-6,-6,-4)= - 30! Ae= (-6,-4,+4,-6,+6,-4) • Ak = 6! &

nel caso di B sono fortunato perché passo da -6 a -30 e quindi decodificherò sempre con uno zero, il problema sta in A perché notiamo che quel 6 in relazione al -30 non lo so trattare. E importante notare a questo punto che nel CDMA la "capacita" intesa come il numero di connessioni che posso accettare, è relazionato fortemente al sistema di controllo di potenza, infatti è proprio la qualità di questo controllo che determina il numero di dispositivi che riesco a servire(capacità). Per avere un idea di quanto sia importante(dato che tutti i sistemi hanno un controllo di potenza che puo essere utile per rispa rmiare energia, e viene fatto in intervalli temporali molto laschi) nel CDMA si fa un controllo di potenza 1500 volte al secondo.!

2.3 Sguardo di insieme Solitamente le tecniche di mutilazione vengono spesso utilizzate in combinazione, ad esempio come abbiamo visto nel TDMA/FDMA ma anche nel caso del CDMA solitamente si cerca di contenere lo spreading in modo da poter utilizzare la parte restante per altri flussi CDMA(il che in sostanza la rende una FDMA/CDMA). & FDMA

TDMA

CDMA FDMA/TDMA

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Si osservi che pianificare l'uso delle frequenze e una cosa molto complicata, il CDMA grazie al suo funzionamento intrinseco permette di snellire questa fase.!

Approach Idea

SDMA segment space into cells/sectors (Spatial Division Multiple Access)

Terminals

only one terminal can be active in one cell/one sector

Signal separation

cell structure, directed antennas

TDMA segment sending time into disjoint time-slots, demand driven or fixed patterns all terminals are active for short periods of time on the same frequency synchronization in the time domain

Advantages very simple, increases established, fully capacity per km² inflexible, antennas Disadvantages typically fixed

Comment

only in combination with TDMA, FDMA or CDMA useful

digital, flexible guard space needed (multipath propagation), synchronization difficult standard in fixed networks, together with FDMA/SDMA used in many mobile networks

FDMA segment the frequency band into disjoint sub-bands

CDMA spread the spectrum using orthogonal codes

every terminal has its all terminals can be active at the same place at the own frequency, same moment, uninterrupted uninterrupted filtering in the code plus special frequency domain receivers simple, established, robust inflexible, frequencies are a scarce resource

flexible, less frequency planning needed, soft handover complex receivers, needs more complicated power control for senders

typically combined with TDMA (frequency hopping patterns) and SDMA (frequency reuse)

still faces some problems, higher complexity, lowered expectations; will be integrated with TDMA/FDMA

Riassumendo: quando si parla di accesso radio nei sistemi radiomobili si devono definire:! -Tecnica di duplexing! -Tecnica di Multiplazione! -Tecnica di Accesso Multiplo(2)! La prima riguarda la gestione della condivisione di flusso uplink e downlink in termini di risorse fissate, cioè come partiziono la banda disponibile in uplink e downlink, la seconda decide come verra condivisa la risorsa in downlink, il terzo decide come viene gestito l'uplink, sono due perche ci sono anche da considerare le BS fra di loro(cioè ogni BS rispetto alle altre deve condividere l’accesso multiplo)! ! DUPLEXING:! 2 modalità per realizzarlo:& -Frequency Division Duplex (FDD) assegna 2 frequenze una per TX e altra per RX separate da intervallo fisso detto passo di duplice. In GSM ad es è 45 MHz. Una volta assegnata la f di TX è automaticamente assegnata anche quella di RX. Si usa per TACS, GSM, UMTS(nel GSM dove si usa una FDMA/TDMA non solo fisso le frequenze con il passo di duplice ma fissero anche il numero dello slot da usare per trasmettere)& -Time Division Duplex (TDD) assegna ununica frequenza sia per RX che TX però assegnando dei timeslot per RX e altri per TX. TDD si usa in UMTS e DECT.! ATTENZIONE La tecnica del passo di duplice è buona per il servizio vocale(simmetrico), quando devo aggiungere anche la trasmissione dati(asimmetrica: cioè il carico in uplink è inferiore rispetto al downlink (tipico esempio quando a fronte di una richiesta di apertura pagina web devo fare il download di svariati mb per visualizzarla )la tecnica FDD non è ottimale, allora la soluzione è quella di usare TDD con una ripartizione sbilanciata degli slot(per esempio uso i primi due per l’uplink e i successivi 4 per il downlink)!

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n

n

Sistemi di seconda gen.: GSM (Europa) D-AMPS (Stati Uniti) n multi-carrier TDM/TDMA

Sistemi di prima generazione: TACS (Europa) AMPS (Stati Uniti) n FDM/FDMA (downlink/uplink) n

Sistemi di terza gen.: UMTS (Europa ) n CDM/CDMA

"

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3. Planning Iniziamo ad introdurre il concetto di copertura cellulare e vediamo come gestire tale copertura, bisogna prima di tutto garantire un livello di potenza accettabile, si potrebbe fissare una soglia e decidere che il segnale è accettabile fin tanto che non scende sotto tale soglia, se la distanza non mi basta potrei quindi aumentare il livello di potenza in uscita e potrei pensare di utilizzare una

singola BS per coprire tutto il territorio ma ciò non va bene(tipo la televisione) perche devo tener conto anche delle trasmissioni del dispositivo mobile che non si puo permettere di TX ad elevati livelli di potenza. Possono esserci delle zone non coperte dovute alla conformazione del territorio ecc ecc dovrò quindi tenerne conto per la dimensione della cella. Il numero di celle che andrò! ad utilizzare nel mio sistema, influenza pesantemente la capacità di quest’ultimo. In generale conviene realizzare celle più piccole a fronte di un costo maggiore per aumentare la capacità del mio sistema.! Gli aspetti cruciali per il planning sono:! • •# max di utenti serviti contemporaneamente (reti single service). ! • •garantire un livello di segnale accettabile a un vasto territorio ! • •garantire parametri di qualità di comunicazione simili a quelli delle reti fisse ! •

!

•possibilità di accedere ai servizi di rete fissa •interoperabilità con sistemi “concorrenti”"

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Una rete cellulare nell’accesso radio è caratterizzata da: –

la porzione di spettro assegnata al servizio,

B (o W). –

l’area di copertura A, cioè la porzione di spazio (superficie) nella quale deve essere disponibile l’accesso ai servizi offerti dalla rete

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Nei sistemi radiomobili si considera il rapporto tra potenza del segnale e potenza dell’interferenza SIR (Signal- to-Interference Ratio, ATT!!! questo non vuol dire che il rumore naturale non c'e ma solo che e trascurabile).Di solito come parametro di qualità si richiede che il SIR sia maggiore di una soglia SIRmin

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BER

La zona coperta da un PA è descrivibile in termini aleatori : essa rappresenta il luogo dei punti dello spazio in cui la qualità trasmissiva del segnale ricevuto soddisfa i “requisiti” (di livello, di SNR, ...) I requisiti sono a loro volta funzione degli obiettivi di qualità, infatti sappiamo che fissare un obbiettivo di qualità pone un limite sui requisiti del sistema.!

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SNR (dB)

•L’area di copertura di una BS è limitata, fissati: ¾Il

requisito di BER ovvero di SNR della comunicazione

¾Il

valore massimo della potenza trasmissiva (limitata da fattori sia tecnologici sia di interferenza)

¾L’attenuazione

del segnale e in generale le degradazioni introdotte dal canale radio ma anche la sensibilità dei ricevitori ¾Obiettivo

del Coverage planning è di trovare il minimo numero di siti per raggiungere la copertura richiesta •La limitazione dell’area di copertura è sfruttata per attribuire le stesse risorse radio a BS sufficientemente distanti ¾ è proprio questo ri-uso spaziale a mantenere elevata l’efficienza al crescere dell’area A, ovviamente al prezzo di realizzare una capillare infrastruttura fissa 10

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