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Tecnologie di accesso al canale radio

FDM

Segnale in banda base (BB)

Il segnale di una qualsiasi comunicazione viene generato a partire da una operazione di trasduzione (trasformazione da grandezza fisica a segnale elettrico) a cui poi segue, nel mondo digitale, una operazione di campionamento e quantizzazione per trasformarlo, dal mondo doppiamente infinito del tempo e dello spazio, a quello doppiamente discreto (finito) dei campioni e dei livelli, questi ultimi numerati e codificati in bit.

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Ogni bit viene poi codificato in opportuni segnali aventi una forma adatta alla banda base (tipicamente la NRZ). Dopo il segnale digitale in banda base viene convertito in radiofrequenza tramite modulazioni digitali, che alterano un segnale RF ad alta frequenza in funzione dei valori dei bit contenuti nel segnale in banda base. Le modulazioni più note sono ASK, FSK e PSK, di cui i dettagli, però, esulano da questa trattazione (vedi corso di telecoumunicazioni).

Riassumendo, la banda base è la porzione dello spettro radio in cui il segnale viene generato. E’ detta banda base proprio perchè è la casa natia da cui parte il segnale prima di affrontare il suo viaggio nello spazio libero di propagazione delle onde radio. E’ una banda perchè le informazioni sono concentrate su un intervallo di frequenza limitato e quindi non avrebbe senso trasmettere anche le altre frequenze.

La banda base di un sistema è per larga parte sovrapponibile a quella di molti altri sistemi analoghi ma questi normalmente non si intereferiscono tra loro perchè separati grazie alla divisione di spazio (SDM), essendo confinati su dispositivi diversi con cablaggi diversi.

Segnale FDM

Un segnale in banda base è generato a partire dalla frequenza nulla fino ad una frequenza massima finita. La frequenza massima è finita perchè tutti i sistemi fisici, senza eccezione alcuna, sono considerati passa basso, cioè tendono naturalmente ad attenuare il segnale generato all’aumentare della frequenza. Al di sotto di un certo limite il valore del segnale è considerato fisicamente trascurabile (approssimazione pratica). La frequenza in cui il segnale vale la metà del valore a centro banda viene detta frequenza di taglio o frequenza a 3dB (decibel). La frequenza di taglio è il limite convenzionale della larghezza di banda di tutti i segnali in banda base.

Molte tecnologie di accesso al canale radio mirano a trasferire più segnali in banda base, provenienti da sorgenti di informazione diverse, sul mezzo radio di uno stesso luogo, nello stesso tempo ma su frequenza diverse, utilizzando una tecnica FDM. Queste tecnologie presuppongono la traslazione del segnale da trasmettere dalla sua frequenza originale (detta banda base), dove viene generato, a quella di trasmissione (detta banda traslata), dove viene trasmesso.

L’operazione è analoga a quella di prelevare dalla finestra di un montacarichi (la banda base) dei libri (il segnale) per poi disporli in diversi scomparti (le bande) di uno scaffale di una libreria (lo spettro). Si noti che i libri (persino i più grandi) hanno una numero di pagine finito, esattamente come i segnali in banda base hanno una larghezza di banda (a 3dB) finita.

L’intero spettro radio è diviso convenzionalmente in bande di frequenza che sono riservate ad una certa categoria di servizi. Ogni banda di frequenza è divisa in canali che sono allocati ad una certa comunicazione (sorgente), secondo politiche che possono essere statiche o dinamiche:

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Fading selettivo

E’ una forma di evanescenza del segnale che alterna momenti di segnale ben ricevuto a momenti di quasi totale assenza del segnale.

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Il fading selettivo in frequenza è principalmente causato dal multipath fading, un fenomeno dove il segnale trasmesso raggiunge il ricevitore attraverso diversi percorsi. Questi percorsi multipli possono essere causati da:

Quando i segnali multipli raggiungono il ricevitore, possono interferire tra loro in modo costruttivo o distruttivo a seconda delle loro fasi relative. Questo porta a variazioni nella potenza del segnale ricevuto che dipendono dalla frequenza, causando il fading selettivo.

E’ la norma nella propagazione delle microonde della telefonia in area urbana e per quella delle trasmissioni wireless indoor (WiFi, blootooth, Zigbee, ecc.).

Supponiamo che un segnale sia trasmesso attraverso un canale wireless e che raggiunga il ricevitore tramite tre percorsi distinti: uno diretto, uno riflesso da un edificio, e uno riflesso da una montagna. Se il segnale diretto è relativamente forte ma i segnali riflessi arrivano con diverse attenuazioni e ritardi, il segnale risultante al ricevitore sarà una combinazione dei tre. Alcune frequenze potrebbero essere fortemente attenuate (a causa di interferenze distruttive), mentre altre potrebbero essere rafforzate (a causa di interferenze costruttive), causando il fading selettivo.

Demodulazione del segnale FDM

Tutte le tecniche di demodulazione di un segnale RF (a radiofrequenza) presuppongono in ricezione la traslazione (contaria a quella effettuata in trasmissione) del segnale dalla banda traslata alla banda base, dove poi il segnale viene campionato per ricostruire il valore originale dei singoli bit. Questa operazione è possibile solo se il segnale possiede un’ampiezza sufficiente per discriminarlo dal rumore che può essere causato:

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Un segnale in banda base, per essere correttamente decodificato, deve diventare un segnale a banda stretta avente:

Anche in assenza delle suddette sorgenti di rumore, esiste una sorgente di rumore ineliminabile costituita dalla radiazione di fondo dell’universo avente una intensità di circa -144 dBm/Hz.

DSSS

In realtà DSSS più che una tecnica di multiplazione per l’ accesso al canale radio è una vera e propria tecnica di modulazione numerica complementare alle tradizionali ASK, PSK, FSK, ecc.).

Nel CDM la sorgente viene:

Nei sistemi DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), il fattore di spreading è la lunghezza della sequenza di spreading che si riflette nel numero di chip per ciascun simbolo di modulazione.

Fase di trasmissione

L’espansione in frequenza trasforma un segnale lentamente variabile nel tempo (il segnale a banda stretta) in uno rapidamente variabile nel tempo (il segnale a spettro espanso).

La trasformazione avviene in trasmissione, moltiplicando il segnale a banda stretta per un segnale ad alta frequenza che occupa tutta la banda del canale detto chirp. Ad ogni sorgente è associato un codice di espansione che caratterizza la sequenza dei bit veloci del chirp (quella contenuta in un singolo bit lento della sorgente).

Rappresentazione della fase di chipering:

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La proprietà che viene divisa fisicamente è la potenza di trasmissione. La proprietà che viene suddivisa logicamente è un insieme di codici ortogonali In TX la sorgente viene espansa: cioè trasformata da segnale a banda stretta a segnale che occupa tutta la banda di lavoro, detto segnale a spettro espanso.

L’espansione in frequenza di un segnale:

Fase di ricezione

Rappresentazione della fase di dechipering: alt text

Nel CDM le sorgenti occupano e condividono tutta la banda di frequenza nello stesso tempo e in tutto lo spazio sovrapponendo l’energia di una con quella dell’altra (interferenza completa). Il ricevitore riceve i segnali di più sorgenti sotto forma espansa e sovrapposti tra loro (segnali interferenti) che sono, in pratica, indistinguibili.

In ricezione, la moltiplicazione nel tempo di un segnale ricevuto per lo stesso chirp (o spreading code) con cui era stato espanso in trasmissione, riporta il segnale ricevuto a banda stretta, permettendone la decodifica dei bit. La moltiplicazione con quel codice avviene anche con gli altri segnali ricevuti ma, essendo questo diverso dal loro spreading code, li lascia a spettro espanso (proprietà di ortogonalità).

Controllo della sensibilità

Aumentando sufficientemente il fattore di spreading è possibile portare la sensibilità sotto la soglia di rumore di fondo dell’universo rendendo, di fatto, le comunicazioni inintercettabili. Inoltre si riesce a far lavorare il sistema in ambienti molto disturbati, persino con rapporti segnale/rumore negativi.

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Riassumendo, lo spettro espanso è un mezzo di trasmissione in cui il segnale occupa una larghezza di banda superiore al minimo necessario per inviare l’informazione; l’allargamento della banda avviene mediante un codice indipendente dai dati, e per il despreading e il successivo recupero dei dati viene utilizzata una ricezione sincronizzata con il codice del ricevitore.

E’ una tecnica di accesso usata dal protocollo Zigbee e 6LowPan (IEEE 802.15.4).

FHSS

Anche FHSS potrebbe essere vista come una tecnica di modulazione numerica.

Alcune tecnologie radio realizzano un accesso multiplo al canale radio, apparentemente allocando molti canali nello stesso istante. In realtà la tecnica alloca un canale alla volta ma saltando da uno all’altro con una velocità che alla sorgente appare istantanea. Questo fenomeno ha l’effetto di sparpagliare (spreading) l’energia di un canale su tutta la banda disponibile. Si tratta di una variante di CDM ottenuta per altra via. Infatti, la sequenza di saltellamento è diversa per ogni comunicazione ed è associata al suo SSID.

Sequenze ortogonali

Le sequenze sono ortogonali e quindi permettono la ricostruzione in ricezione della comunicazione originale. Un messaggio potrebbe partire in un canale, passare ad altri 7 e completarsi solo nell’ ottavo canale, ovvero l’ultimo visitato. La tecnica si chiama Frequency hopping o anche detta FHSS. La distribuzione della comunicazione su una gamma ampia di frequenze rende questo tipo di modulazione meno sensibile alle interferenze.

Tipi di FHSS

Esistono due tipi di salto di frequenza:

In ogni caso, la sequenza dei salti per un bit (o per una certo numero di bit) è una caratteristica univoca di una certa comunicazione che non permette di decodificarene un’altra (codici ortogonali).

Nei sistemi FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), il fattore di spreading è il numero di frequenze portanti su cui salta un simbolo di modulazione.

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Video di simulazione video FHSS

E’ una tecnica di accesso usata dal protocollo Bluetooth LBE

LoRa

Uno degli svantaggi di un sistema DSSS è il fatto che richiede un orologio di riferimento altamente accurato (e costoso). La tecnologia LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) di Semtech offre un’alternativa DSSS a basso costo e a basso consumo, ma robusta, che non richiede un clock di riferimento altamente accurato.

La tecnologia di livello fisico chiamata LoRa utilizza una forma custom (e non resa di dominio pubblico) di spettro espanso per modulare le comunicazioni nella banda ISM sub-GHz. LoRa utilizza bande ISM senza licenza. Per realizzare fisicamente la comunicazione viene utilizzata una modulazione CSS (Chirp Spread Spectrum), che espande un segnale a banda stretta su un canale a larghezza di banda più ampia.

FSK CSS

Un chirp è un segnale in cui la frequenza aumenta (up-chirp) o diminuisce (down-chirp) con continuità. Nelle modulazioni QPSK, BPSK e in molti altri tipi di modulazione digitale, vengono usate onde sinusoidali per codificare simboli, ma il CSS usa i chirp, che sono segnali che non variano tensione/potenza nel tempo, ma cambiano la frequenza nel tempo.

Le modulazioni (digitali o analogiche) possono essere indagate separatamente nel tempo e nella frequenza o tramite particolari diagrammi che mostrano come la frequenza varia nel tempo, detti spettrogrammi. Da destra a sinistra ci stanno gli incrementi positivi di frequenza, dall’alto in basso quelli positivi del tempo. In uno spettrogramma:

Definizioni:

Un segnale di chirp può essere suddiviso in 2^SF valori (128) che codificano, nella frequenza, il simbolo da trasmettere. Ad un simbolo corrisponde, nel tempo, una certa sequenza lunga SF di bit da trasmettere che può essere ricostruita in ricezione misurando la lunghezza in frequenza del chirp nello sprettogramma (mediante FFT) dove ha un valore compreso tra [0, 2^SF].

La pendenza (slope) del chirp nello spettrogramma è sempre tale da ottenere uno scivolamento di B Hertz nel tempo in cui si raccolgono SF bit, cioè un un simbolo, e questo per tutti i valori di SF. Per effetto di ciò, in corrispondenza di un fattore di spreading SF, i singoli bit verranno diffusi di 2^SF/SF nella frequenza.

I segnali di chirp con uguale SF non sono ortogonali tra loro per cui potenzialmente si interferiscono, mentre i segnali di chirp con SF differente sono effettivamente ortogonali per cui non si interferiscono anche se presenti nello stesso momento sullo stesso canale. Chiaramente, un numero elevato di segnali ortogonali interferenti tendenzialmente degrada il rapporto segnale rumore del canale.

L’ampiezza di banda B del canale rappresenta il chip rate. Il reciproco del chip rate rappresenta la lunghezza del chip nel tempo.

Il numero di simboli al secondo trasmessi rappresenta il symbol rate. Il reciproco del symbol rate rappresenta la lunghezza del simbolo nel tempo.

CHIP RATE SYMBOL RATE BIT RATE CHIP DURATION SYMBOL DURATION

La larghezza di banda B equivale al chip rate, ovvero al numero di segnali elementari al secondo, è la larghezza del canale. Un simbolo di frequenza massima si chiama chip.

Lo Spreading Factor (SF) in LoRa è definito come il numero di bit per simbolo e indica il numero di volte che il segnale viene allargato in frequenza rispetto alla larghezza originale in banda stretta. Ad esempio, con SF7, il segnale viene allargato di 2^7/7 volte rispetto alla larghezza di banda originale, un incremento pressochè esponenziale.

In ogni momento vale la relazione: Rc > Rb > Rs.

DR SF

Il data rate (DR) varia da 0 a 5 ed è inversamente proporzionale allo spreading factor (SF) che varia da 7 a 12.

Aumentando lo spreading factor, si aumentano le componenti di frequenza dello spettro totale del segnale. In altre parole, l’energia del segnale totale è ora distribuita su una gamma più ampia di frequenze, consentendo al ricevitore di discernere un segnale con un rapporto segnale-rumore (SNR) più basso (cioè peggiore).

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La trama Lora è composta da un preambolo di 8 chirp di sincronizzazione più un chirp di SOF che indica l’inizio della trama. I primi sono codificati con 8 upchirp di seguito mentre la sequenza SOF è codificata con 2 downchirp.

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In ricezione, viene effettuato il cosidetto dechirping generando localmente dei segnali upchirp e downchirp con appropriato chirp rate e moltiplicandoli per i segnali ricevuti con pendenza opposta. Per effetto di ciò si ottengono nello spettrogramma dei segnali a frequenza costante che rappresentano singole righe spettrali. Quelle del preambolo hanno frequenza sempre uguale per tutti i messaggi mentre quelle del payload hanno frequenze diverse per ogni simbolo e la loro posizione nello spettro rappresenta il valore della codifica del simbolo, da cui è possibile risalire alla sequenza degli SF bit corrispondenti che sono stati trasmessi.

Altre operazioni numeriche coperte da brevetto e ricostruibili solamente mediante reverse ingegnering permettono di completare la decodifica effettiva dei bit. In totale sono riconducibili a 4 fasi:

  1. Symbol “gray indexing”, aggiunge tolleranza agli errori
  2. Data whitening. Introduce randomizzazione dei bit trasmessi
  3. Interleaving. Realizza proprietà di oscuramento dei bit
  4. Forward Error Correction, aggiunge dei bit di parità

Una funzione aggiuntiva del protocollo LoraWAN è il Telegram splitting: questo metodo suddivide un segnale a banda ultrastretta in numerosi sottopacchetti più piccoli, trasmettendoli successivamente come brevi burst radio a varie frequenze e intervalli di tempo. Per ridurre al minimo il potenziale di collisione con altri sottopacchetti, utilizza tempi di trasmissione brevi e pseudo-casualità. Questo approccio migliora sia la robustezza che la scalabilità riducendo al contempo le interferenze

Altre caratteristiche positive di Lora sono:

Può essere adoperato da solo, implementando su di esso uno stack custom, oppure come parte della pila LoraWAN mantenuta dalla Lora Alliance, purchè l’accesso radio rispetti le regolamentazioni valide per la banda ISM per cui è nato.

TSCH

Il Time Slotted Channel Hopping è una tecnologia radio che realizza un accesso al canale singolo, nel senso che l sorgente invia per intero un messaggio in un canale per un tempo stabilito da una schedulazione TDM costante e preordinata ma, alla trama successiva quello slot temporale sarà assegnato ad un’altra frequenza per tutta la sua durata e così accade per tutti gli altri slot di quella trama. Così, in caso di trasmissione non riuscita a causa di interferenze esterne o dissolvenza multi-percorso, la sua ritrasmissione avviene su una frequenza diversa, spesso con una migliore probabilità di successo rispetto all’utilizzo della stessa frequenza di prima. Si noti che, identificando una comunicazione con i suoi dispositivi endpoint, allora accade che tutti questi dispositivi, per ogni trama, devono condividere lo stesso slot e lo stesso canale. La tecnica si chiama Time Slotted Channel Hopping o anche detta TSCH. Gli hop sono più lenti del segnale modulato per cui non è considerabile come una tecnica di modulazione del segnale portante.

TSCH può essere visto come una combinazione dei meccanismi di accesso multiplo a divisione di tempo e di accesso multiplo a divisione di frequenza poiché utilizza la diversità di tempo e frequenza insieme per fornire affidabilità agli strati superiori della rete.

TSCH è progettato per fornire una pianificazione deterministica del tempo e delle frequenze utilizzate per la trasmissione dei dati. Questo significa che il protocollo utilizza uno schema predefinito di slot temporali e canali radio, garantendo che le trasmissioni avvengano in modo prevedibile e senza collisioni. Questo aspetto deterministico è importante per garantire una comunicazione affidabile e a bassa latenza nelle reti IoT.

Benchè si possa adoperare in reti LPWA, il suo utilizzo è più comune in reti mesh.

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A causa della natura TDM della comunicazione in una rete TSCH, i nodi devono mantenere una stretta sincronizzazione. Si presuppone che tutti i nodi siano dotati di orologi per tenersi sincronizzati tra di loro. Però, poichè gli orologi in nodi diversi derivano l’uno rispetto all’altro, i nodi adiacenti devono periodicamente risincronizzarsi.

Ogni nodo deve sincronizzare periodicamente il proprio orologio di rete con un altro nodo e fornisce anche il tempo di rete ai suoi vicini. Spetta all’ente che gestisce la pianificazione assegnare una sorgente di sincronizzazione vicina a ciascun nodo detta “time source neighbor”. Durante l’impostazione del “time source neighbor”, è importante evitare cicli nei percorsi di sincronizzazione, che potrebbero comportare la formazione di gruppi indipendenti di nodi sincronizzati.

E’ usata dal protocollo IEEE 802.15.4g/e, livello fisico degli stack RIIoT, OpenWSN e dalle ultime versioni di Zigbee e 6LowPan.

TSMA

Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) è una tecnica in cui un telegramma o un pacchetto viene suddiviso in molti sottopacchetti. Questi sottopacchetti vengono quindi distribuiti in modo pseudo-casuale sulla frequenza e sul tempo. Ciò rende la trasmissione resistente agli interferenti. Alcuni sottopacchetti potrebbero andare persi ma i dati possono ancora essere recuperati grazie alla correzione degli errori di inoltro (FEC). Telegram Splitting Ultra Narrow Band (TS-UNB) è una famiglia di protocolli che adotta TSMA.

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Mentre TSCH è noto per il suo determinismo nella pianificazione delle trasmissioni, TSMA tende ad essere più stocastico nel suo approccio, utilizzando strategie probabilistiche per coordinare l’accesso al canale radio tra i dispositivi come quelle basate su protocolli di accesso multiplo quali CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) o ALOHA (con backoff).

In breve, la realizzazione pratica del Telegram Splitting coinvolge la suddivisione dei dati in telegrammi più piccoli e l’utilizzo di protocolli di accesso multiplo per gestire le trasmissioni concorrenti sui canali radio.

OFDM

E’ una tecnologia in cui i bit di una comunicazione, tramite una conversione seriale-parallelo, vengono inviati contemporaneamente su più porzioni di un canale di grande ampiezza (20 Mhz per il WiFi) dette sottoportanti (o anche toni). Le sottoportanti non solo sono vicine ma si sovrappongono in parte di uno spiazzamento stabilito. Lo spiazzamento calibrato opportunamente fornisce la proprietà di ortogonalità che garantisce alle sottoportanti di non interferirsi nonostante le sovrapposizioni reciproche. In pratica una comunicazione veloce viene suddivisa in più comunicazioni lente che hanno il pregio di poter essere gestite in maniera meno critica rispetto ai problemi associati ad un’unica veloce.

La distribuzione uniforme delle sottoportanti lungo tutta la banda fa si che, per effetto di una interferenza distruttiva o di un fading improvviso (attenuazione) in corrispondenza di una certa sottoportante, si perderanno, o nel caso del fading si amplificheranno, le informazioni trasmesse su quella ma non le rimanenti trasmesse sulle altre sottoportanti. Questo perchè, in ricezione, le sottoportanti vengono demodulate separatamente e solo dopo i bit ricevuti sono ricomposti in un unico flusso. E’ il criterio dei compartimenti stagni di una nave (le sottoportanti) applicato al canale di una sorgente (l’intera nave).

All’interno del canale OFDM viena fatta una multiplazione TDM a contesa (tipicamente CSMA/CA) sia per renderlo full duplex sia per consentire l’accesso multiplo al canale da parte di più sorgenti, per cui, al variare del tempo, sullo stesso canale verranno allocate sorgenti diverse. In ogni caso la trasmissione di una sorgente avviene sempre su tutte le sottoportanti (no FDM).

Le sorgenti lente impiegheranno un certo tempo per recuperare un numero sufficiente di bit per alimentare adeguatamente tutte le sottoportanti, ne consegue che la loro trasmissione sarà caratterizzata da brevi impulsi distanziati da lunghi ritardi e saranno pure trasmessi con grande spreco di potenza.

Oppure potrebbero esserci molte trasmissioni brevi che competono per il canale mediante il TDM a contesa CSMA/CA. Questa situazione genera uno scambio di messaggi di controllo aventi dimensione analoga a quella dei messaggi dati. Vuol dire che il canale potrebbe essere più occupato dai messaggi necessari per portare avanti il protocollo CSMA /CA che dai messaggi dati (overhead eccessivo del CSMA/CA).

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E’ adoperato dal WiFi 5 e dalla telefonia mobile 4G. Ha la proprietà di trasmettere dati ad alta velocità in ambienti con forti interferenze.

OFDMA

Realizza una parallelizzazione dell’accesso al canale radio da parte di più sorgenti abbinando alla multiplazione nel tempo anche una multiplazione nella frequenza FDM. Infatti, nell’OFDM può accadere che la multiplazione TDM applicata a sorgenti di velocità molto diverse determini che le sorgenti più lente vengano trasmesse con brevi messaggi che, avendo i bit spalmati su tutte le sottoportanti, sono inviati sul canale radio alla massima velocità da questo consentita. L’effetto è quella di una trasmissione di brevi burst inviati, con forte ritardo, su slot molto lontani nel tempo (il tempo necessario per accumulare il numero di bit sufficiente a riempire uno slot). Se non si volesse aspettare, per diminuire il ritardo, si dovrebbe accettare di trasmettere in ogni slot lasciandolo sempre mezzo vuoto.

L’analogia del canale è quella dei TIR che in giorni diversi portano poco carico quando il carico complessivo dei tre giorni avrebbe potuto benissimo essere accomodato su un unico TIR, direttamente al primo giorno, riducendo i tempi di attesa. Servono per far ciò:

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La principale differenza tra un sistema OFDM e un sistema OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) sta nel fatto che nella OFDM l’utente è allocato nel dominio del tempo soltanto. Durante l’utilizzo di un sistema OFDMA, invece, l’utente viene allocato sia in base al tempo che in base alla frequenza. Il sistema in un certo istante è in grado di trasmettere o ricevere comunicazioni di più dispositivi in parallelo (su sottoportanti diverse) diminuendo i tempi di attesa. Le sottoportanti di un canale (256 nello OFDMA di WiFi 6) sono dinamicamente distribuite su un certo numero di sottocanali. Ogni sottocanale è assegnato ad una sorgente alla volta. Il numero dei sottocanali è variabile e dipende da quante sottoportanti vengono assegnate a ciascuno di essi. La ripartizione viene, per ogni slot temporale, modificata e ottimizzata da uno scheduler.

Di seguito sono elencati tutti i sottocanali allocabili con il numero delle sottoportanti da essi occupate. Sono possibili anche combinazioni di ampiezza diversa. L’unico vincolo è che la somma complessiva delle sottoportanti allocate dai vari sottocanali in un certo slot temporale non superi mai il numero complessivo delle sottoportanti dati (242 per il WiFi 6). Dal grafico si evince chiaramente che possono essere allocate, ad esempio, 9 sottocanali da 26 sottoportanti ciascuno. Oppure un sottocanale da 106 sottoportanti più 2 da 52. Se, in un certo slot temporale, si vuole utilizzare il massimo della banda disponibile allora si alloca, per un’unica sorgente, un unico sottocanale da 242 sottoportanti.

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OFDMA divide lo spettro in unità di risorse (RU) tempo-frequenza, cioè una sorta di calendario (misurato in slot invece che in giorni) dove, per ogni slot, sono segnate le sottoportanti che confluiranno nei sottocanali da assegnare alle sorgenti che, in quello slot, devono essere trasmesse in parallelo. Le RU sono proprio i sottocanali che sono stati allocati in un certo slot temporale alle sorgenti da trasmettere in parallelo. Un’entità di coordinamento centrale (lo scheduler dell’AP in 802.11ax) assegna le RU per la ricezione o la trasmissione a non più di una sorgente alla volta. La pianificazione centralizzata delle RU permette, inviando più messaggi brevi contemporaneamente sul mezzo radio, di evitare un sovraccarico (overhead) di contesa CSMA del canale, il che aumenta l’efficienza in contesti affollati di brevi messaggi come le reti IoT. OFDMA in, sostanza, scala meglio le risorse adattandole a differenti mix di traffico, nel contempo, riducendo l’overhead delle comunicazioni. Per l’utente un minore overhead si traduce in un ritardo di ricezione più basso.

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Si potrebbe anche pianificare la QoS in base alla frequenza. Ad esempio, sarebbe possibile sfruttare il fatto che l’utente potrebbe avere una migliore qualità del collegamento radio su specifiche sottoportanti della banda disponibile, evitando di trasmettere sulle altre che in quel momento sono molto disturbate.

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Nelle trasmissioni asincrone a contesa (WiFi 6), l’allocazione delle RU alle varie stazioni (sorgenti) che intendono trasmettere in parallelo è inviata all’inizio della comunicazione tramite un messaggio di controllo multicast detto trigger. Ricevuto il trigger, le stazioni rispondono in parallelo e l’avvenuta ricezione da parte dell’AP viene confermata con un unico ack multicast. Il trigger contiene anche la potenza del segnale che l’AP si aspetta di ricevere da ogni stazione, tramite questa informazione ciascun client può regolare la potenza della propria trasmissione.

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OFDMA è adoperato dal downlink di WiFi 6, telefonia mobile 5G e NB IoT.

SC-FDMA

SC-FDMA ha attirato grande attenzione come alternativa interessante a OFDMA, specialmente nelle comunicazioni uplink poiché il rapporto di potenza di picco su potenza media (PAPR) basso avvantaggia notevolmente il terminale mobile in termini di efficienza della potenza di trasmissione e costi ridotti dell’amplificatore di potenza. È stato adottato come schema di accesso multiplo del 5G e del NB-IoT.

Il segnale iniziale viene processato da due blocchi. Il secondo è un normale OFDMA mentre il primo si chiama DFT ed è una elaborazione numerica il cui effetto finale è di convertire i simboli dei dati dal dominio del tempo trasportandoli nel dominio della frequenza. Il risultato è che essi sono disposti in frequenza allo stesso modo in cui erano prima disposti nel tempo. Una volta nel dominio della frequenza, vengono trasportati nella posizione desiderata nella larghezza di banda complessiva del canale.

Nella figura sottostante, 4 simboli, con 4 colori diversi, erano inizialmente trasmessi in parallelo su 4 sottoportanti diverse ma con ampiezze nel tempo molto variabili. Dopo il blocco DFT, hanno ampiezza costante nel tempo ma variabile nella frequenza. Inoltre la DFT, di fatto, ha effettuato una conversione dei simboli da parallelo a seriale perché vengono trasmessi nel tempo in serie, uno dopo l’altro.

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E’ adoperato dall’uplink di WiFi 6, della telefonia mobile 5G e NB IoT.

Dettaglio TDM statico su mezzi punto-punto

Dettaglio TDM statistico su mezzi punto-punto

Dettaglio ISO/OSI

Sitografia:

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