Cellulari
CELLULARI
tecniche di funzionamento dei ponti radio
Premessa
I sistemi di trasmissione radio possono essere classificati come simplex quando
permettono la comunicazione in un solo verso, half-duplex quando la consentono
alternativamente nei due versi, oppure full-duplex se la trasmissione può
avvenire contemporaneamente nei due sensi.
Un esempio di sistema simplex è quello dei cosiddetti pagers, in cui ciascun
utente è in grado di ricevere sul proprio terminale un messaggio che può essere
di tipo numerico, alfanumerico o vocale; infatti, tale messaggio è inviato via
radio dalle varie stazioni trasmittenti ed è ricevuto solo dai terminali che si
riconoscono come destinatari. Tali sistemi sono tipicamente utilizzati per
avvertire un utente di chiamare un determinato numero telefonico, ma si può
pensare di impiegarli per inviare notizie di vario tipo, magari personalizzate a
richiesta dell'utente. Questo tipo di terminale mobile è caratterizzato dalla
semplicità ed economicità, proprio perché non necessita del circuito di
trasmissione. Tuttavia, le stazioni trasmittenti devono essere progettate
adeguatamente al fine di raggiungere gli utenti ovunque essi siano, all'interno
di un edificio, alla guida di un'auto o durante un tragitto aereo; perciò si
richiedono grosse potenze di trasmissione (vari chilowatt) e basse velocità di
trasferimento dei dati.
Sistemi half-duplex sono i classici walkie-talkie, in cui l'utente è costretto a
commutare tra la trasmissione vocale e la ricezione premendo un apposito
pulsante sul terminale. Per consentire un alto grado d'interazione durante la
comunicazione, occorre però che la trasmissione e la ricezione avvengano
simultaneamente, e ciò è possibile nei sistemi full-duplex come ad esempio
quelli cordless e quelli cellulari. Per telefono cordless s'intende un terminale
che è connesso ad una linea della rete telefonica fissa, cui corrisponde un
determinato numero, attraverso un collegamento radio con una stazione base
ricetrasmittente. I telefoni cordless consentono solo una limitata mobilità, in
quanto non è possibile mantenere la connessione quando si esce dalla portata
della stazione base, la quale attualmente non supera le poche centinaia di
metri.
I sistemi cellulari costituiscono la soluzione più efficace alle moderne
esigenze di comunicazione associate alla mobilità. La divisione del territorio
in celle di modeste dimensioni consente, infatti, sia una fitta copertura delle
aree geografiche, sia una capacità di servire un gran numero di utenti. Ogni
terminale mobile che si trova in una determinata cella, comunica con la
corrispondente stazione base (Base Station - BS). Le varie stazioni base di una
certa area sono poi tutte connesse ad un centro di smistamento (Mobile Switching
Center - MSC), che a sua volta provvede al collegamento con la rete telefonica
fissa (Public Switched Telephone Network - PSTN).
I canali radio usati per le trasmissioni vocali dalla stazione base al terminale
mobile sono detti Forward Voice Channels (FVC), mentre quelli dal terminale
mobile alla stazione base Reverse Voice Channels (RVC). Normalmente ci sono
anche dei canali di controllo, che nei due versi di trasmissione sono detti
Forward Control Channels (FCC) e Reverse Control Channels (RCC). Quando si
accende il terminale mobile, esso controlla qual è il segnale di maggior livello
tra quelli dei vari FCC delle stazioni base vicine, e continua a controllare
tale segnale fino a che non scende sotto un certo livello, mettendosi quindi di
nuovo alla ricerca di un segnale con livello maggiore. Nel momento in cui una
chiamata telefonica è diretta verso il terminale, viene inviato sul FCC il suo
numero telefonico e, riconoscendosi selezionato, il terminale mobile risponde
sul RCC d'essere disponibile. A questo punto la stazione base può informare il
terminale di spostarsi su una coppia di canali vocali disponibili (FVC + RVC) e
ordinare al telefono di squillare, comunicando eventualmente il numero del
chiamante. Invece, nel caso in cui è il terminale mobile a compiere una
chiamata, esso invia sul RCC la propria richiesta con il suo numero e quello del
chiamato; quando poi l'altro terminale sarà trovato disponibile, la stazione
base invierà sul FCC la coppia di canali vocali su cui il terminale si deve
sintonizzare per iniziare la comunicazione.
Divisione del territorio in celle
Il concetto che sta alla base dei sistemi cellulari, è la sostituzione di
un'unica stazione base di potenza elevata con una moltitudine di stazioni base,
ognuna delle quali gestisce una limitata porzione di territorio, cioè una cella,
ovviamente limitando la potenza da esse irradiata. A ciascuna stazione base
viene assegnata solo una parte dei canali disponibili per il sistema, in modo
che ogni cella ad essa confinante abbia un gruppo di canali assegnati
completamente differente. Per minimizzare le possibili interferenze tra utenti,
deve esserci una separazione fisica tra le celle che usano le stesse frequenze,
e questo si ottiene organizzando gruppi di celle in una maglia, detta cluster,
che utilizzi tutti i canali radio disponibili. La costruzione tipica di una di
queste maglie prevede sette celle, come nella figura 1.2, ma altre strutture
usate sono quelle a 4 o a 12 celle; in figura ogni stazione base usa un
differente gruppo di canali contrassegnato da una lettera distinta dalle altre.
Ripetendo all’infinito il cluster, si può coprire una qualsiasi area urbana e
tutta una nazione. Per convenienza immaginiamo che le celle siano di forma
esagonale, anche se, in realtà non lo sono, ma possiedono una forma irregolare,
determinata da fattori diversi, quali la propagazione delle onde radio sul
terreno, gli ostacoli e le difficoltà di posizionare le stazioni base per
motivazioni geografiche.
Consideriamo un sistema cellulare che ha un numero totale S di coppie di canali
disponibili. Se a ciascuna cella è assegnato un gruppo k di canali (k<S), e se
gli S canali sono divisi tra le N celle di un cluster ripetuto M volte in
un’area geografica, allora vale la relazione:
(1.1)
che dà la capacità C del sistema in una data area di copertura che, per essere
massimizzata, richiede il valore più basso possibile per N, cioè la dimensione
del cluster. D’altra parte, un basso valore di N indica che celle con gli stessi
canali sono più vicine tra loro, con maggiori problemi d’interferenza, perciò si
deve trovare un compromesso.
L’assegnazione dei canali ad una cella può essere di tipo fisso o dinamico. Se
ad una cella è assegnato in modo fisso un certo numero di canali, una
comunicazione può avvenire solo se ci sono dei canali liberi, altrimenti la
chiamata risulta bloccata. Una strategia per far fronte a situazioni di grande
richiesta di canali potrebbe consistere nella possibilità, da parte della
generica cella, di prendere in prestito dei canali dalle celle vicine, se tutti
i suoi canali sono occupati. Ovviamente, occorre che il MSC supervisioni queste
procedure di prestito. In un’ottica di tipo dinamico, invece, i canali non sono
allocati permanentemente alla cella, ma, ogni volta che c’è una richiesta di
chiamata, la stazione base chiede un canale disponibile al MSC. Lo svantaggio di
quest’ultima tecnica è che il MSC deve raccogliere in tempo reale tutti i dati
sull’occupazione dei canali, l’intensità con la quale sono ricevuti e la
distribuzione del traffico, incrementando notevolmente la complessità della
gestione del sistema; il vantaggio è un migliore uso dei canali disponibili, con
il risultato di diminuire le interferenze e la probabilità di chiamate bloccate.
All’aumentare del numero di utenti che usano il sistema wireless, può accadere
che il numero di canali assegnati a delle celle in una certa zona diviene,
comunque, insufficiente. Esistono sostanzialmente tre tecniche per aumentare la
capacità del sistema cellulare: cell splitting, cell sectoring e zone microcell.
Il cell splitting consiste nel rimpiazzare le celle congestionate dal traffico
con celle di dimensioni inferiori (microcelle), in questo modo la capacità
risulta aumentata in quanto sono richiesti più cluster per coprire una
determinata area; naturalmente, la potenza di trasmissione delle stazioni base
delle microcelle deve essere adeguatamente diminuita. Nella figura 1.3 è
mostrato il caso in cui il raggio delle microcelle è la metà del raggio delle
celle originarie, perciò la capacità viene quadruplicata perché occorre un
numero di cluster quattro volte superiore per coprire la stessa area.
Nella tecnica di sectoring si usano per la stazione base delle antenne direttive
in modo da dividere la cella in settori, ognuno dei quali usa un gruppo distinto
dei canali della cella d’origine. In questo modo l’interferenza derivante dalle
celle vicine che usano gli stessi canali risulta ridotta, come si può vedere
dalla figura 1.4, in cui ogni cella è stata divisa in tre settori da 120o; si
può vedere che se si usa una dimensione del cluster N=4, delle 8 celle con gli
stessi canali che circondano una generica cella, solo 3 possono interferire con
quest’ultima. Riducendo tali interferenze è quindi possibile usare un cluster di
dimensioni N inferiori, aumentando così la capacità del sistema.
Con l’approccio zone microcell si supera l’inconveniente principale del
sectoring; infatti, la suddivisione dei canali di una cella in sottogruppi
assegnati ai suoi settori, porta ad una diminuzione della qualità del servizio,
in quanto aumenta la probabilità di trovare tutti i canali occupati. Invece, con
quest’ultima tecnica si riduce l’interferenza sostituendo la stazione base,
posta solitamente al centro della cella, con diversi ricetrasmettitori di
potenza inferiore situati ai bordi della cella stessa e collegati ad un’unica
BS. Ciascuno di questi ricetrasmettitori serve una zona all’interno della cella,
e il terminale mobile, che si trova all’interno di essa, viene servito dal
segnale più forte. In questo modo, un certo canale è attivato solo in una
particolare zona della cella, l’irradiazione risulta perciò localizzata e
direzionale, quindi l’interferenza è ridotta, permettendo di usare una
dimensione N minore del cluster.
Gestione dell’Handoff
Quando un terminale mobile si sposta in una cella differente mentre è in
corso una conversazione, occorre trasferire la chiamata sui nuovi canali
appartenenti alla nuova stazione base. Questa procedura viene detta handoff e
costituisce uno dei più importanti compiti che un sistema cellulare deve saper
gestire. L’operazione di handoff richiede di identificare la nuova BS e di
assegnare i nuovi canali vocali e di controllo, ed è normalmente eseguita dal
MSC. Gli handoff devono essere eseguiti il meno frequentemente possibile (per
non sovraccaricare il sistema), ed essere impercettibili all’utente.
Per questi motivi va scelto un opportuno livello del segnale in corrispondenza
del quale iniziare l’handoff; una volta che si è determinato il minimo livello
per un’accettabile qualità della voce ricevuta (normalmente tra –90 dBm e –100
dBm), si sceglie un livello leggermente superiore come soglia di handoff. Questo
margine, tra livello di soglia e livello minimo, non può essere né troppo grande
né troppo piccolo. Se fosse troppo grande, ci sarebbero molti handoff non
necessari, con conseguente sovraccarico del MSC; se troppo piccolo, ci potrebbe
essere poco tempo per completare l’handoff prima che la chiamata venga persa a
causa del segnale troppo debole. Nel decidere se iniziare l’handoff, è anche
importante assicurarsi che la diminuzione del livello del segnale non sia dovuta
a delle attenuazioni momentanee, ma che avvenga per allontanamento del terminale
mobile dalla stazione base; perciò la BS deve controllare l’andamento del
livello del segnale per un certo tempo, prima di decidere per un handoff.
Nei sistemi cellulari analogici di prima generazione, le misure sul livello
del segnale erano fatte dalla stazione base e gli handoff gestiti dal MSC.
Ciascuna BS controllava il livello di tutti i suoi Reverse Voice Channels,
affiancata da un ricevitore aggiuntivo (Locator Receiver) che misurava il
segnale ricevuto da tutte le celle confinanti; sulla base di questi dati, il MSC
poteva così decidere quando e come effettuare gli handoff. Nei sistemi digitali
di seconda generazione, invece, gli handoff sono normalmente assistiti dal
terminale mobile (Mobile Assisted Handoff – MAHO). Infatti, ogni terminale
esamina i vari livelli di segnale provenienti dalle BS delle celle confinanti e
invia questi dati alla propria BS; un handoff può allora iniziare quando la
potenza del segnale ricevuto da una delle BS vicine comincia a superare quella
della propria BS di una certa quantità e per un certo intervallo di tempo.
Questa tecnica permette di realizzare gli handoff più velocemente ed in modo più
efficace, proprio perché le misure sono attuate dai terminali mobili; risulta
perciò particolarmente adatta in zone con celle di piccole dimensioni, in cui
gli handoff sono più frequenti.
Un handoff può non avvenire a causa della mancanza di canali liberi nella
nuova cella in cui l’utente si è spostato, con conseguente interruzione della
chiamata in corso. Dal punto di vista dell’utente, è meno fastidiosa una
chiamata bloccata all’origine per insufficienza di canali, piuttosto che una
chiamata terminata bruscamente nel mezzo di una conversazione. Pertanto, per
migliorare la qualità del servizio percepita dagli utenti, nell’allocare i
canali si sono adottati vari metodi per dare priorità alle richieste di handoff
su quelle d’inizio di chiamata. Un metodo è quello dell’uso dei canali di
guardia, che consiste nel riservare una parte dei canali di una cella
esclusivamente per gli handoff; lo svantaggio sta nella riduzione della capacità
di traffico sopportata dal sistema, poiché sono disponibili meno canali per ogni
cella, ma si può rimediare adottando un assegnamento dinamico dei canali. Un
altro metodo consiste nel mettere in coda le richieste di handoff, sfruttando
l’intervallo tra l’istante in cui il segnale cade sotto la soglia di handoff e
quello in cui la chiamata è terminata perché il segnale è troppo debole.
Un problema che si presenta solitamente nelle aree urbane, dove le celle
sono di piccole dimensioni per ottenere una capacità adeguata, è quello di poter
gestire utenti che si muovono a velocità elevate. Infatti, mentre chi si sposta
a piedi può anche non aver per niente bisogno di un handoff durante una
chiamata, i veicoli possono attraversare diverse celle nel giro di poco tempo,
rendendo il MSC sovraccarico per le frequenti richieste di handoff. Una
soluzione adottata è quella di usare delle macrocelle che comprendono più celle
di dimensioni inferiori. La copertura dell’area di una macrocella è assicurata
da un’antenna posta più in alto e che trasmette ad una potenza maggiore. La
macrocella è usata solo dagli utenti veloci, mentre gli altri continuano ad
usare le celle all’interno di essa. La velocità d’ogni utente può essere stimata
dalla stazione base o dal MSC osservando quanto rapidamente cambia il livello
del segnale ricevuto.
Problema dell’interferenza
Diverse possono essere le cause d’interferenza che degradano le prestazioni
di un sistema cellulare; sorgenti d’interferenza possono essere sia i terminali
mobili nella stessa cella o in quelle vicine, sia altri tipi di sistemi che
irradiano energia nella banda del sistema cellulare preso in considerazione.
L’interferenza sui canali vocali può portare a fenomeni di cross-talk, in cui
l’utente sente voci di sottofondo dovute ad altre comunicazioni. Sui canali di
controllo l’interferenza può causare chiamate interrotte o bloccate, perché ci
sono errori nelle segnalazioni tra terminale mobile e stazione base. Nelle aree
urbane l’interferenza è presente maggiormente, a causa del più alto rumore a
radio frequenza di sottofondo e del numero più grande di stazioni base e di
terminali mobili. Le interferenze generate all’interno dello stesso sistema
cellulare sono di due tipi: l’interferenza co-canale e l’interferenza da canali
adiacenti.
La ripetizione dei cluster implica che in una certa area di copertura ci sono
parecchie celle che usano lo stesso gruppo di canali. L’interferenza causata dai
segnali provenienti da queste celle è detta interferenza co-canale. Diversamente
dal rumore termico i cui effetti possono essere superati incrementando il
rapporto segnale-rumore (Signal to Noise Ratio - SNR), l’interferenza co-canale
non può essere combattuta aumentando la potenza del trasmettitore. Infatti, se
aumentassimo la potenza di trasmissione di una stazione base, aumenteremmo
l’interferenza alle altre celle co-canale vicine. Perciò, per ridurre
l’interferenza co-canale, le celle che usano lo stesso gruppo di canali devono
essere fisicamente separate tra loro da una distanza sufficiente.
Se la grandezza di ogni cella è circa la stessa, l’interferenza co-canale
risulta indipendente dalla potenza di trasmissione, e diviene funzione solo del
raggio della cella (R) e della distanza dal centro della cella co-canale più
vicina (D). Incrementando il rapporto D/R, la separazione tra le celle che usano
gli stessi canali aumenta, perciò l’interferenza viene ridotta. Per una
geometria esagonale si può provare che vale la seguente uguaglianza:
(1.2)
Un piccolo valore di Q permette una capacità maggiore poiché la dimensione
del cluster N è piccola, mentre un valore di Q grande diminuisce l’interferenza.
Una grandezza interessante è il rapporto tra segnale utile ricevuto e
interferenza (Signal to Interference Ratio – SIR), che può essere espresso come:
(1.3)
dove S è la potenza del segnale utile e Ii la potenza dell’i-esimo segnale interferente proveniente da una delle k celle co-canale. La potenza media ricevuta Pr ad una distanza d dall’antenna trasmittente può essere approssimata da:
(1.4)
in cui P0 è la potenza ricevuta ad una distanza d0 di riferimento nella zona di campo lontano dell’antenna, mentre n è il coefficiente di perdita per propagazione, che tipicamente assume valori compresi tra 2 e 4 nelle aree urbane. Se ora assumiamo la distanza del terminale mobile dalla propria stazione base pari al raggio della cella R, e consideriamo come interferenti solo le stazioni base più vicine, poste a una distanza pari a quella tra i centri delle celle co-canale D, allora l’equazione (1.3) si semplifica in:
(1.5)
che mette in relazione il rapporto S/I con la dimensione N del cluster.
Perciò, come si è detto, una dimensione maggiore del cluster serve a ridurre
l’interferenza.
L’interferenza che invece proviene da segnali che sono adiacenti nel campo della
frequenza al segnale desiderato, è dovuta alle imperfezioni nel filtraggio del
ricevitore, che permette il passaggio delle frequenze vicine al canale
desiderato. Il problema può diventare particolarmente serio se un utente, che
usa un canale adiacente, sta trasmettendo molto vicino ad un altro terminale che
invece sta cercando di ricevere il segnale dalla stazione base. In questo caso
il segnale interferente, avendo una potenza molto maggiore, può sovrastare
completamente quello utile. Problema analogo si ha per la stazione base, quando
un terminale vicino ad essa trasmette in un canale adiacente a quello usato da
un altro terminale posto più lontano. L’interferenza da canali adiacenti può
essere minimizzata sia tramite un adeguato filtraggio, sia con un opportuno
assegnamento dei canali. Infatti, anziché assegnare ad una cella un gruppo di
canali tutti adiacenti tra loro, i canali possono essere distribuiti in modo che
la separazione tra essi in ogni cella sia massima. In questo modo l’interferenza
è notevolmente ridotta, anche se alcuni schemi di allocazione dei canali
prevedono di evitare l’uso di canali adiacenti pure nelle celle confinanti.
Un altro metodo usato per ridurre l’interferenza è quello del controllo della
potenza trasmessa dai terminali mobili. Il livello di potenza trasmesso dai vari
terminali mobili è costantemente controllato dalla stazione base, in modo che
ogni unità mobile trasmetta la minima potenza necessaria a mantenere una buona
qualità nella comunicazione con stazione base stessa. Il controllo della potenza
non solo riduce le interferenze nel sistema cellulare, ma contribuisce anche a
prolungare la durata della batteria dell’unità mobile.
Tecniche di multiplazione
Per consentire l’accesso a un numero più grande possibile d’utenti in uno
spettro di estensione limitata, sono state sviluppate varie tecniche. Infatti,
quanto più si riesce a condividere la banda a radio frequenza disponibile per il
sistema, tanto più si può ottenere una capacità elevata, che, con riferimento
alla (1.1), è direttamente proporzionale al numero S di canali.
Innanzitutto, per avere un sistema full-duplex, che permette cioè di ascoltare e
parlare contemporaneamente, bisogna disporre di due canali per ogni utente: sono
il Forward Voice Channel e il Reverse Voice Channel dei quali si è già parlato.
Quindi, per ottenere nel sistema questa funzione di duplexing, si adottano due
tecniche. Una tecnica è chiamata Frequency Division Duplexing (FDD), con la
quale si fa uso di due distinte bande di frequenza per ogni utente. L’altra è
detta Time Division Duplexing (TDD), e fa uso di slot temporali (Time-Slots)
distinti per ottenere i due canali citati prima. Infatti, se si alternano due
brevi intervalli di tempo, uno per la trasmissione e l’altro per la ricezione,
allora la comunicazione sembra avvenire contemporaneamente nei due versi, a
patto di usare una separazione temporale non troppo grande tra i due intervalli.
Il vantaggio del TDD è che permette la comunicazione in un’unica banda di
frequenza, perciò semplifica la realizzazione del terminale mobile, in quanto
non è necessario l’uso di un dispositivo detto duplexer che si vedrà in seguito;
in breve si può dire che il duplexer permette di connettere ad un’unica antenna
il trasmettitore e il ricevitore, evitando le interferenze tra i due. Con il TDD
basta invece attivare alternativamente il trasmettitore e il ricevitore.
Mediante la tecnica FDD si ha una comunicazione realmente full-duplex, ma, oltre
all’uso del duplexer, è necessaria un’opportuna separazione tra i canali di
trasmissione e di ricezione relativi ad uno stesso utente, al fine di poter
usare dispositivi a radio frequenza non troppo costosi.
Esistono varie tecniche per ottenere i canali da assegnare ai diversi utenti; si
tratta infatti di consentire l’accesso a un numero più grande possibile di
utenti all’interno della gamma di frequenze disponibili per il sistema.
Frequency Division Multiple Access (FDMA)
Con questa tecnica i canali vengono ottenuti suddividendo lo spettro disponibile
in piccole porzioni, in modo che ognuno consista in una distinta banda di
frequenza. In questo modo, almeno all’interno della cella, non ci sono utenti
che usano la stessa banda. Naturalmente, se il duplexing è di tipo FDD,
all’utente è attribuita una coppia di canali come due distinte bande di
frequenza; in un sistema che usa il TDD, invece, un’unica banda contiene i due
canali di trasmissione e di ricezione, ottenuti con la tecnica a divisione di
tempo già vista.
Time Division Multiple Access (TDMA)
Nei sistemi TDMA si usa un’unica banda di frequenza per più utenti, impiegando dei brevi intervalli di tempo (Time-Slots) in ognuno dei quali solo un utente può trasmettere o ricevere. Come si vede in fig. 1.7, i time slot sono normalmente raggruppati in trame (Frames), ciascuna delle quali contiene N time slot, cosicché un canale può essere pensato come un time slot che si ripete nella stessa posizione di ogni trama. Ciascuna trama è normalmente formata da un preambolo, che contiene segnali di sincronizzazione, dagli N time slot, che costituiscono l’informazione vera e propria, ed infine da alcuni bit di coda. Se si usa il TDD, metà dei time slot nella trama sono adoperati per la trasmissione, l’altra metà per la ricezione.
Invece, con duplexing di tipo FDD sono usate due distinte bande di frequenza, in ognuna delle quali si adotta la tecnica a divisione di tempo; in genere, però, i time slot riservati alla trasmissione ed alla ricezione per uno stesso utente non sono fatti coincidere temporalmente, in modo che non si debba usare un duplexer.
Frequency Hopped Multiple Access (FHMA)
Questo sistema consiste nel variare la frequenza portante di trasmissione o di
ricezione in maniera pseudo-casuale all’interno di una larga banda. Infatti, i
dati da inviare vengono divisi in spezzoni di dimensione costante (bursts) che
sono trasmessi su frequenze portanti differenti. Il ricevitore, che conosce la
sequenza delle frequenze trasmesse relative ad un certo utente, può
sincronizzare la propria frequenza istantanea di ricezione per poter ottenere
correttamente i dati trasmessi. La velocità con cui cambia la frequenza portante
può essere minore o maggiore di quella d’invio dei bit, si parla allora
rispettivamente di slow-FHMA oppure fast-FHMA. E’ da precisare che
istantaneamente il segnale occupa solo una banda stretta, ma complessivamente
risulta un segnale a banda larga, la quale è usata da tutti gli utenti.
Il vantaggio di usare una banda larga sta nella notevole riduzione
dell’interferenza che si ha quando il segnale giunge al ricevitore propagandosi
secondo percorsi differenti. Un sistema FHMA provvede anche ad un certo livello
di sicurezza, poiché un ricevitore che intende intercettare una chiamata deve
conoscere l’esatta sequenza pseudo-casuale.
Code Division Multiple Access (CDMA)
Anche in questo caso tutti gli utenti usano una stessa banda larga, con i
vantaggi che essa offre. Nei sistemi CDMA, infatti, il segnale a banda stretta
di ogni singolo utente viene trasformato in uno a banda larga moltiplicandolo
per una sequenza pseudo-casuale (pseudo-noise code). Questa è una sequenza
binaria che sembra casuale, ma in realtà può essere riprodotta usando opportuni
algoritmi. Ad ogni utente è associata una sua sequenza che risulta essere
approssimativamente ortogonale a tutte le altre. In questo modo il ricevitore,
tramite un’operazione di moltiplicazione con una versione generata localmente
della sequenza, può riottenere il segnale originario, mentre la moltiplicazione
con la sequenza di un altro utente produce solo una piccola quantità di rumore.
Quindi il ricevitore è in grado di separare sulla base del loro codice i segnali
dei vari utenti, anche se occupano la stessa banda e sono sovrapposti nel tempo.
La sequenza pseudo-casuale è tale in quanto ha molte caratteristiche delle
sequenze binarie casuali, come un uguale numero di 0 e di 1, poca correlazione
tra due sequenze diverse qualsiasi, come pure tra due versioni ritardate della
stessa sequenza. Se si indica con p(t) tale sequenza, il segnale CDMA ricevuto
può essere espresso come:
(1.6)
Ciascun impulso di p(t), detto chip, è solitamente rettangolare con
un’ampiezza che vale +1 o –1 e una durata TC. Il segnale m(t) rappresenta i dati
trasmessi come sequenza di impulsi rettangolari, di ampiezza ± 1 e durata TS. La
frequenza fc è quella della portante, cosicché il risultato è un segnale con
modulazione BPSK, come si vedrà meglio nel seguito. ES rappresenta l’energia di
un impulso di m(t). Si fa in modo che TC << TS, ma le transizioni dei dati e dei
chip coincidono, perciò il rapporto tra TS e TC è un numero intero. Se W è la
larghezza di banda del segnale s(t) e B quella di
, allora la moltiplicazione per la sequenza p(t) porta ad avere W>>B. Il
ricevitore non fa altro che moltiplicare s(t) di nuovo per p(t), perciò, essendo
p(t)=± 1 e p2(t)=1, si ricava:
(1.7)
Uno dei vantaggi di usare una banda larga, come si è già detto, è la
riduzione dell’interferenza derivante da propagazioni secondo percorsi
differenti dello stesso segnale. Infatti, dato che il segnale ha la sua energia
distribuita su una larga banda, solo una piccola parte dello spettro subirà un
fenomeno d’interferenza distruttiva. Vista nel dominio del tempo, questa
proprietà deriva dal fatto che le versioni ritardate di una stessa sequenza
pseudo-casuale hanno poca correlazione tra loro, e appaiono così come sequenze
di altri utenti che sono ignorate dal ricevitore. Altro vantaggio, proveniente
dall’uso di un’unica banda, è l’eliminazione della pianificazione per la
distribuzione delle frequenze nelle celle. Di conseguenza, cambiano anche le
caratteristiche dell’handoff; nei sistemi CDMA si parla infatti di soft-handoff,
poiché non si ha un cambiamento nella frequenza del canale, ma nel passaggio da
una cella all’altra si varia solo la stazione base che gestisce la
comunicazione. Valutando contemporaneamente il segnale ricevuto da un utente
nelle varie celle confinanti, l’MSC può decidere in ogni istante quale versione
dello stesso segnale è migliore.
Un sistema cellulare basato sul CDMA ha una capacità limitata solo dal numero di
sequenze pseudo-casuali ortogonali che è stato stabilito per il sistema stesso.
Aumentando il numero di utenti nel sistema, infatti, si alza solamente il rumore
di sottofondo (noise floor) secondo una legge lineare, a causa della
moltiplicazione con un numero maggiore di sequenze approssimativamente
ortogonali. Perciò le prestazioni del sistema degradano gradualmente per tutti
gli utenti man mano che il loro numero aumenta, e migliorano invece quando
diminuisce. Ciò comporta una più efficiente utilizzazione della banda
disponibile, poiché si può operare in modalità di trasmissione discontinua (Discontinuous
Transmission Mode – DTX), spegnendo il trasmettitore nei periodi di silenzio che
ci sono nella comunicazione vocale. Così facendo, la capacità media del sistema
CDMA può essere incrementata in modo inversamente proporzionale al fattore di
utilizzo del canale.
Nei sistemi CDMA, il livello di potenza dei vari trasmettitori determina il
rumore di sottofondo. Se il segnale di un utente arriva alla stazione base con
un livello molto maggiore degli altri, può catturare il demodulatore del
ricevitore. Infatti, i segnali con un livello più alto di potenza aumentano il
rumore di sottofondo per quelli più deboli, che quindi non riescono ad essere
ricevuti. Per combattere questo problema occorre un accurato controllo della
potenza; tale controllo è implementato inviando degli opportuni comandi ai
terminali mobili, in modo che ciascuno di essi sia ricevuto con lo stesso
livello di segnale dalla stazione base.
Space Division Multiple Access (SDMA)
Con questa tecnica viene controllata l’energia irradiata nello spazio
dall’antenna della stazione base, dirigendola verso il terminale di un
determinato utente. Idealmente servirebbero delle antenne estremamente direttive
e capaci di seguire la posizione dell’utente a una velocità molto alta. In
questo modo, tutti gli utenti nel sistema potrebbero comunicare usando allo
stesso istante un’unica frequenza. Quello che si può fare in pratica, invece, è
usare delle antenne mediamente direttive e aumentare così la capacità come nella
tecnica di cell sectoring che si è già vista.