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Mezzo radio

Il mezzo radio possiede la proprietà di essere intrinsecamente multipunto (mezzo broadcast) cioè, se un interlocutore trasmette tutti gli altri ascoltano. Inoltre, essendo in pratica un BUS, è soggetto al fenomeno delle collisioni (in quest’ambito sono fisicamente delle interferenze distruttive) che si possono risolvere come sempre, cioè facendo in modo che in certo canale, in un dato posto e in un dato tempo si parli uno alla volta. Il canale radio cioè, è intrinsecamente half duplex.

Duplexer

Una trasmissione radio full duplex può essere realizzata:

• utilizzando due canali diversi nelle due direzioni di trasmissione (tecnica FDM)
• partizionando ulteriormente il canale nelle grandezze residue ancora non partizionate in due sottocanali (TDM o CDM).

Normalmente si usa allo scopo il tempo con tecniche TDM, cioè due interlocutori diversi parlano nello stesso canale in istanti diversi.

Multiplazione TDM

Il meccanismo dell’alternanza nel tempo può anche essere esteso ad un numero arbitrario di interlocutori che parlano uno alla volta senza accavallarsi.

La partizione TDM nel tempo del canale può essere:

• statica. Realizzata tramite la tecnica di multiplazione TDMA e può essere adoperata sia su collegamenti punto-punto che su collegamenti broadcast (mezzi radio o BUS a filo).
• dinamica. Può essere utilizzata su:
  • mezzi punto-punto si realizza mediante la multiplazione TDM statistica.
  • mezzi broadcast, si realizza mediante protocolli di arbitraggio che possono essere:
    • centralizzati di tipo master/slave quali MODBUS, Profibus, ecc.
    • distribuiti (o peer-to-peer) che di dividono in:
      • deterministici, adoperati prevalentemente nelle reti industriali quali token ring o DQDB
      • statistici, di gran lubga i più adoperati nelle reti di ufficio sono ALOHA, CSMA/CD, CSMA/CA.

Dettaglio multiplazioni statiche

Dettaglio TDM statico su mezzi punto-punto

Dettaglio TDM statistico su mezzi punto-punto

Dettaglio TDM statistico su mezzi broadcast (BUS e radio)

Multiplazione statica TDMA

Nel TDMA un numero arbitrario di interlocutori parlano a turno secondo un criterio di dialogo assimilabile a quello della “tavola rotonda”. Ciascun interlocutore è numerato ed è abbinato a uno o più numeri di altri interlocutori. Un partecipante con un certo numero, per realizzare una comunicazione punto punto o multipunto, dovrebbe ascoltare soltanto i discorsi pronunciati da un solo interlocutore o da tutti gli interlocutori aventi però uno dei numeri a cui egli è abbinato.

La multiplazione statica TDMA di parecchie sorgenti richiede però che tutte siano sincronizzate con precisione presso un nodo router, cioè non possono comunicare direttamente tra loro, in maniera peer to peer, ma solo in presenza di un nodo master da cui devono essere raggiungibili.

Il nodo master stabilisce la composizione della “tavola rotonda” (cioè chi può trasmettere), in che ordine (cioè la scaletta degli interventi) e per quanto tempo deve durare un intervento. La scaletta completa, riportata sull’asse dei tempi, si chiama trama. Tutti gli interventi hanno, sull’asse dei tempi, durata uguale detta slot e, complessivamente, occupano esattamente tutta la trama. La trama viene ripetuta periodicamente in un tempo detto periodo di trama.

Multiplazione TDM dinamica ALOHA

Nel TDM dinamico ALOHA un numero arbitrario di interlocutori parlano non appena hanno qualcosa da dire. Se sono fortunati nessun altro parla sopra di loro e la comunicazione va a buon fine. Se sono sfortunati la comunicazione è degradata in maniera irreparabile da una collisione con un’altra comunicazione concomitante. Il caso determina il problema e il caso fornisce pure una soluzione.

Rappresentazione grafica del protocollo ALOHA. I riquadri chiari indicano le trame ricevute correttamente. I riquadri ombreggiati indicano le trame che hanno colliso e che verranno scartate perchè arrivate corrotte. Il servizio radio potrebbe prevedere la funzione di conferma, cioè che tutti i messaggi trasmessi debbano essere confermati presso il nodo che li ha trasmessi mediante la ricezione di un messaggio di ack inviato dal ricevente al loro arrivo. Le trame corrotte non saranno confermate dal ricevente e, allo scadere di un timeout, verranno ritrasmesse ma non subito, bensì dopo un tempo casuale detto backoff che limita la probabilità che le altre stazioni, che hanno partecipato alla collisione, scelgano lo stesso tempo per ricominciare la loro trasmissione.

Gestione delle interferenze sul canale

Spesso il TDM non partiziona direttamente il canale FDM ma tra esso e il canale FDM si interpone una ulteriore divisione nel dominio della potenza o nel dominio della frequenza, o nel dominio dello spazio:

• La prima è detta multiplazione a divisione di codice o CDMA che è associata ad un certo cluster di utenti afferenti ad un certo dispositivo (ad esempio un AP WiFi). Dispositivi diversi hanno codici (detti ortogonali) diversi. Ad es, il BSSID di un AP (Access Point wifi) è associato ad un codice ortogonale diverso da quello degli altri AP in modo che una sua comunicazione sia distinguibile da quelle degli altri AP, pur interferendo completamente con quelle. E’ la strategia generalmente adottata nei sistemi LPWA, a bassa potenza, e bassa bitrate e basso costo. Riassumendo la divisione nel dominio della potenza (spettro espanso), si possono annidare le multiplazioni una dentro l’altra differenziando per caratteristiche fisiche diverse le singole comunicazioni e associandole a gruppi di sorgenti diverse. In questo caso:
  • la banda è divisa tra più gruppi di dispositivi (ad es. AP WiFi), ogni gruppo sul suo canale FDM, tramite una multiplazione FDMA.
  • un canale FDM, assegnato ad un gruppo di AP o BS, è diviso tra più AP, ogni AP col suo codice ortogonale (canale CDM), tramite multiplazione CDMA.
  • un canale CDM, assegnato ad un gruppo di sorgenti (quelle attestate su un AP), è diviso tra più sorgenti, ogni sorgente col suo slot temporale (canale TDM), tramite multiplazione TDM (dinamica o statica).
• La seconda è detta multiplazione a divisione di frequenze ortogonali o OFDM. Ogni canale è diviso in un certo numero di sottoportanti diverse. Il partizionamento di una trasmissione veloce, allocata su un canale a banda larga, in più trasmissioni lente, allocate su sottoportanti a banda stretta, limita una eventuale collisione, dovuta ad interferenza, alla sola sottoportante in cui essa avviene, lasciando quelle senza interferenze libere di comunicare. Quella delle sottoportanti (tecniche OFDM o OFDMA) è la strategia generalmente adottata nei sistemi WiFi e sistemi di telefonia mobile 4G e 5G, caratterizzati da alte potenze, elevate bitrate e alto costo. In questo contesto:
  • l’arbitraggio CSMA/CA avviene a livello di canale e la funzione di “ascolto” del canale o CCA (Channel Clear Assessment), misurando l’energia complessiva proveniente da tutte le sottoportanti, valuta:
    • la contesa per l’accesso al mezzo tra dispositivi di uno stesso AP tramite il CCA-SD (Signal Detect) che rileva il superamento della soglia minima che consente di riconoscere il preambolo del frame di un’altra sorgente (4dB sopra il livello del rumore per il WiFi 6) che occupa già il canale. Se viene riconosciuto si rinvia la trasmissione di un tempo casuale (backoff).
    • ma anche quella di tutti i dispositivi, quelli appartenenti ad un’altro AP, ma anche quelli appartenenti ad altri sistemi che in quella zona accedono al canale a vario titolo, tramite il CCA-ED (Energy Detect). Se il CCA-ED, cioè l’energia delle interferenze dovute ad altri sistemi, supera una soglia massima (20dB sopra il livello CCA-SD per il WiFi 6), il canale è considerato occupato per cui viene dilazionato il tentativo di accedervi ad un momento più propizio calcolato, anche in questo caso, con un tempo casuale (backoff).
  • l’arbitraggio CSMA/CA realizza un TDM dinamico che assegna uno slot temporale per trasmettere ad una sorgente alla volta che occupa il canale impegnando tutte le sottoportanti nel caso di OFDM o una loro parte nel caso di OFDMA.
• La terza è detta Space DivisionMultiplexing Access (SDMA) realizzata con la tecnica MU-MIMO che permette ad un terminale di ricevere o trasmettere segnali da e verso utenti multipli nella stessa frequenza (sottoportante) simultaneamente. Il prerequisito è la presenza di percorsi multipli che possano essere resi isolati l’uno dall’altro dall’attenuazione del segnale lungo lo spazio. Perché ciò accada i terminali multipli devono essere sufficientemente distanti, o isolati da ostacoli presenti nell’ambiente come delle pareti. Questa tecnica è resa efficace dal beamforming digitale delle antenne che possono modulare l’intensità del loro guadagno in una certa direzione, modificando sia l’uno che l’altra nel tempo. E’ possibile anche l’inseguimento (tracking) del terminale da parte di un lobo perennemente puntato su di esso. La direzionalità spinta dei lobi limita parecchio la dispersione del segnale in direzioni diverse da quella preferenziale del lobo stesso e quindi massimizza l’isolamento da altri lobi puntati verso altri dispositivi. Questa tecnica è praticamente utilizzabile quando le direzioni sono ben marcatamente diverse e quando l’obiettivo è massimizzare la bit rate della comunicazione.

Normalmente le multiplazioni sono gestite a livello fisico in HW utilizzando delle schede radio dedicate su cui si impostano i registri per la configurazione e da cui provengono le notifiche dei vari eventi legati alla trasmissione o alla ricezione.

Comunicazioni non broadcast

A seconda della tecnologia adoperata si possono realizzare comunicazioni punto-punto o multipunto, ma di base il mezzo radio è pur sempre intrinsecamente broadcast.

L’isolamento punto punto nei mezzi a BUS con arbitraggio a contesa (ALOHA e CSMA/CA) è in genere logico e non si può ottenere in trasmissione scegliendo un link isolato verso la destinazione ma si ottiene in ricezione, a livello di scheda di rete, facendo in modo che una stazione radio che non riconosca il proprio indirizzo nel campo destinazione dei messaggi ignori le comunicazioni non proprie. L’isolamento diventa più effettivo con la cifratura delle informazioni.

Multiplazioni non TDM

In ogni caso, oltre che con il TDMA, con FDMA o con il CSMA è possibile pure condividere lo stesso canale per più comunicazioni punto-punto. Il mezzo radio è quindi anche assimilabile ad un BUS condiviso o mediante un protocollo di arbitraggio (ALOHA, CSMA/CA) o mediante una tecnica di multiplazione statica (FDMA, TDMA, CDMA, SDMA).

La multiplazione SDM (divisione di spazio) del mezzo radio è sempre in qualche misura possibile controllando accuratamente le potenze di trasmissione dato che la propagazione delle onde radio, anche nel vuoto, è soggetta ad un intenso fenomeno di attenuazione che cresce con il quadrato della frequenza e con il quadrato della distanza. Un esempio di SDM radio è la suddivisione in celle dell’area di copertura del servizio radio avente la proprietà che celle vicine usano frequenze molto diverse mentre celle distanti riutilizzano la stessa frequenza.

I dispositivi mobili che si spostano da una cella all’altra vengono presi in carico automaticamente e in modo trasparente dalla nuova cella senza perdere il collegamento (meccanismo del roaming).

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