Multiplazione

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In questa pagina sono descritte alcune tecniche che permettono la trasmissione contemporanea (o quasi) di informazioni da parte di più trasmettitori verso più ricevitori. Il riferimento principale è alle tecniche usate nei sistemi radio digitali anche se alcune di esse possono essere usate in sistemi su cavo oppure in trasmissioni analogiche.

Spesso i sistemi reali utilizzano contemporaneamente più di una di queste tecniche.

Multiplazione a divisione di frequenza - FDM

FDM (Frequency Division Multiplexing) è la tecnica più antica per trasmettere più segnali contemporaneamente, adottata fin dagli albori delle radio broadcast per permettere la coesistenza di più canali; oggigiorno è ancora fondamentale dei sistemi radio, indipendentemente dalla tecnologia usata.

L'idea è semplice:

L'esempio tipico sono le frequenza dei canali radiotelevisivi per le quali è venduto dallo stato il diritto d'uso esclusivo a determinati operatori per un periodo alcuni anni. Il ricevitore per ricevere un determinato canale deve applicare all'uscita dell'antenna un filtro passa banda sintonizzato sulla frequenza corretta.

A volte FDM è usata in comunicazioni punto-punto per ottenere una connessione bidirezionale full-duplex: un certo intervallo di frequenza è usato per la trasmissione in un verso, un altro intervallo per la trasmissione nel verso opposto. Esempi sono le tecnologie DSL oppure la telefonia cellulare.

Concettualmente è simile alla WDM usata nelle fibre ottiche.

Esempio 1

Lo spettro seguente è relativo alle stazioni radio analogiche a modulazione di frequenza presenti nella mia zona. Sono visibili i segnali trasmessi da cinque stazioni radio, ciascuna evidenziata da un triangolo rosso:

 Cinque stazioni FM

Esercizio 2

Si vuole pianificare l'utilizzo dell'intervallo di frequenza comprese tra 200 MHz e 202 MHz per trasmettere in segnale con frequenza massima 200 kHz. Tra due canali adiacenti è richiesta una banda di guardia di 100 kHz.

Orthogonal FDM - OFDM

OFDM è utilizzata nei moderni sistemi di trasmissione digitale ad alta velocità che utilizzano una banda ampia, sia in sistemi di trasmissione radio (per esempio WiFi 802.11) che su cavo (per esempio xDSL).

Per aumentare la velocità di trasmissione è necessario usare, in base al teorema della capacità di canale, una banda ampia. Se la banda di un canale di comunicazione è molto ampia è però facile che distorsioni, interferenze e rumore non siano uniformi e quindi è difficile ottimizzare il segnale da trasmettere. L'idea è quella di suddividere la banda complessiva in molte sottobande, ciascuna delle quali viene usata in parallelo alle altre per trasmettere una parte del flusso di dati. Il segnale modulato utilizzato ha caratteristiche diverse per ogni sottobanda e viene ottimizzato in funzione delle caratteristiche specifiche di ciascuna di esse:

Inoltre, adattando la durata del bit alla differenza di frequenza tra le varie sottobande, si dimostra che la banda di guardia può essere quasi annullata rispetto a quanto necessario nella FDM (nota 1).

Multiplazione a divisione di spazio - SDM

Con il termine SDM (Space Division Multiplexing) o spatial reuse si indica una multiplazione in cui le singole comunicazioni sono distinguibili in base alla posizione fisica occupata da trasmettitore e ricevitore.

Linee fisicamente separate

Il termine SDM non è in genere usato per linee in rame o su fibra ottica, anche se ogni qualvolta si utilizza un insieme di linee di trasmissione parallele e separate si ha una separazione tra più canali di comunicazione. Per esempio ethernet usa quattro coppie di linee, ciascuna delle quali è collegata indipendentemente un trasmettitore mantenendolo fisicamente separato dagli altri.

Comunicazioni cellulari

L'idea è quella di permettere due comunicazioni diverse con la stessa frequenza se i trasmettitori sono posti a distanza tra di loro, tale da non rendere possibili interferenze vicendevoli a causa dell'attenuazione.

Esempio 3

Il territorio italiano è stato suddiviso in aree più o meno grandi e la stessa frequenza può essere usata da stazioni diverse in aree diverse e lontane. Per esempio la frequenza FM 105.2 MHz è usata da Virgin Radio a Cremona, da Radio Radicale a Mantova, da Virgin Radio a Lodi, da Radio popolare a Sondrio e da Lifegate Radio a Lecco.

Esempio 4

La telefonia cellulare deve il proprio nome al fatto che il territorio è suddiviso in celle che permettono di riutilizzare le frequenze tra celle distanti

MIMO

Per aumentare la velocità di trasmissione è possibile pensare di suddividere la comunicazione in due flussi di bit separati, ciascuno trasmesso individualmente tra due antenne in trasmissione e due antenne in ricezione. Tali antenne devono essere estremamente direttive perché i due flussi non devono interferire tra di loro.

Come NON funziona MIMO

Purtroppo tale soluzione non è praticabile in quando il guadagno di tali antenne dovrebbe essere enorme...

Lo stesso effetto può però essere ottenuto sfruttando l'interferenza tre due sorgenti di segnale:

MIMO (Multiple Input, Multiple Output) usa almeno due antenne in trasmissione ed almeno due in ricezione (MIMO 2 x 2) al fine di raddoppiare la velocità di trasmissione. Usando tre antenne in ricezione e tre in trasmissione (MINO 3 x 3) la velocità triplica e così via. Applicazioni pratiche arrivano ad usare otto antenne in ricezione ed otto in trasmissione.

Un meccanismo analogo può essere utilizzato nel caso di più ricevitori: il trasmettitore usa le sue antenne per fare in modo che il segnale formi interferenza costruttiva verso le antenne del destinatario e distruttiva verso altri apparati, diminuendo di conseguenza l'interferenza. Tale funzionamento è indicato come MU-MIMO (Multi User MIMO) e permette la convivenza di più dispositivi che usano le stesse frequenze nello stesso luogo. Un esempio tipico cono le reti WiFi.

Polarizzazione

Alcuni sistemi di comunicazione usano due antenne in trasmissione e due in ricezione, una con polarizzazione orizzontale ed una con polarizzazione verticale, permettendo la presenza di due canali di trasmissione sostanzialmente indipendenti e non interferenti, raddoppiando la capacità del canale.

Per esempio questo meccanismo è usato da NanoStation 5 AC.

Multiplazione a divisione di tempo - TDM

TDM (Time Division Multiplexing) permette la coesistenza di più trasmettitore assegnando l'uso esclusivo del canale a ciascuno di essi per un breve intervallo temporale (slot). Due aspetti che caratterizzano la TDM:

Multiplazione a divisione di tempo - TDM

Tale tecnica è per esempio utilizzata nella telefonia cellulare 3G, nel protocollo 80.15.4 su cui si basa Zigbee, nelle fibre ottiche.

Multiplazione a divisione di codice - CDM

CDM (Code Division Multiplexing) è tipicamente usato nelle modulazione DSSS e FHSS.

Nel primo caso per codice si intende il valore del chip, che deve essere diverso ed ortogonale (nota 2) per ciascun trasmettitore. In questo modo una trasmissione rispetto all'altra è rumore e quindi non interferisce.

Nel secondo caso il codice è costituito dalla sequenza di salto tra le varie frequenza, diverso per ciascun trasmettitore. 

Note

  1. Il termine ortogonale è relativo al fatto che due portanti di una modulazione OFDM non si influenzano tra di loro, analogamente al fatto che il prodotto scalare di due vettori è nullo.
  2. Due chip sono ortogonali se il loro prodotto, mediato sull'intera lunghezza del chip stesso, è nullo
  3. Eventualmente è possibile assegnare più slot ad un singolo trasmettitore se questo richiede maggiore banda


Pagina creata nel gennaio 2022
Ultima modifica: 3 maggio 2022


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