RETI MOBILI E MULTIMEDIALI

1. Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Dipartimento INFOCOM RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Aldo Roveri Lezioni dell’ a.a. 2009-2010 1

2. Appendici A. Tecniche di trasmissione wireless B. Accesso wireless e mobilità C. Modelli di propagazione

3. A. Tecniche di trasmissione wireless Aldo Roveri, “RETI MOBILI E MULTIMEDIALI” Univ. di Roma “La Sapienza” - a.a. 2009-2010

4. Contenuti • A.1 Segnali SS • A.2 Trattamento DS-SS • A.3 Trattamento FH-SS • A.4 Immunità all’interferenza di un sistema SS • A.5 Trasmissione multi-portante e l’OFDM • A.6 Trattamenti OFDM in banda-base • A.7 Guida all’implementazione OFDM • A.8 Opportunità offerte dall’OFDM

5. Appendice A • A.1 Segnali SS

6. Sistema a spettro espanso • Indichiamo con • m(t) il segnale-dati agente come modulante; • c(t) il segnale di espansione; • s(t) il segnale risultante dalla modulazione e trasmes- so; sarà qui chiamato segnale SS (Spread-Spectrum). • In un sistema a spettro espanso sono verificate due condizioni • la banda del segnale s(t) deve essere molto maggiore di quella del segnale m(t), • l’incremento di banda del segnale s(t) è prodotto dal segnale c(t) indipendente da m(t) e noto al ricevitore in modo da consentire a questo la rivelazione di m(t).

7. Segnale SS (1/3) • Come per qualunque modulazione, il segnale SS, che è di tipo passa – banda, è esprimibile con in cui • Re{•} indica la parte reale di {•}; • è l’inviluppo complesso dis(t); • f0 è la frequenza della portante.

8. Segnale SS (2/3) • L’inviluppo complesso dipende da m(t) e da c(t); una dipendenza usuale è data da dove e sono i consueti inviluppi complessi ottenuti da modulazioni aventi m(t) e c(t) come modulanti. • Gli elementi di segnale (impulsi) che compongono c(t) sono chiamati chip per distinguerli dai bit che compon-gono m(t).

9. Segnale SS (3/3) • Se • Tb è l’intervallo di bit in m(t); • Tc è l’intervallo di chip in c(t), affinchè il segnale di espansione svolga il suo ruolo, occorre che la sua larghezza di banda sia molto maggiore di quella del segnale - dati. • Deve cioè essere Rc>> Rb (3) in cui Rc = 1/Tc e Rb = 1/Tb sono i ritmi degli elementi di segnale in c(t) e in m(t), rispettiva-mente.

10. Tipi di segnali SS (1/3) • Supponiamo che m(t) sia bipolare con valori ± 1 e che si utilizzi una BPSK come sua modulazione; ne segue che • Con questa ipotesi, i segnali SS sono classificati in base al tipo di modulazione utilizzata per . • Si distinguono segnali SS • a Sequenza Diretta (Direct Sequence - DS); • a Salto di Frequenza (Frequency Hopping - FH).

11. Tipi di segnali SS (2/3) • Segnale DS-SS (Direct Sequence-Spread Spectrum) • è un segnale c(t) binario NRZ bipolare, ottenuto da una sequenza di espansione {c(n)},(n= 0,1,…,); l’inviluppo complesso del segnale DS-SS è allora espresso da

12. Tipi di segnali SS (3/3) • Segnale FH-SS (Frequency Hopping-Spread Spectrum) • è di tipo FSK con 2k frequenze determinate da gruppi di k bit in corrispondenza con una sequenza di espansione{c(n)}, (n = 0,1,…).

13. Appendice A • A.2Trattamento DS-SS

14. Trattamento DS-SS • Vantaggi • riduce l’effetto del fading selettivo in frequenza • nelle reti cellulari • le SRB possono usare la stessa banda di frequenze • varie SRB possono rivelare e ricostruire il segnale • è possibile un soft handover • Svantaggi • è necessario un preciso controllo di potenza.

15. Trattamento DS-SS in trasmissione (1/3) • Si effettua, come in Fig. A.1, un XOR del segnale-dati (dati di utente) con il segnale di espansione: in questa operazione molti chip per bit (ad es. 128) danno luogo a una più larga banda del segnale risultante (segnale SS). • Il segnale SS viene inviato ad un modulatore che lo trasforma in un segnale a radio frequenza. • La formazione del segnale SS a partire dai dati di utente e con l’utilizzazione del segnale di espansione è mostrata in Fig. A.2

16. TRASMETTITORE Segnale trasmesso Dati di utente Segnale SS  modulatore Portante radio Segnale di espansione Fig. A.1 Trattamento DS-SS in trasmissione (2/3)

17. Tb Dati di utente 0 1 XOR Tc Segnale di espansione Trattamento in trasmissione 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 = Segnale SS 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 Tb : intervallo di bit Fig. A.2 Tc : intervallo di chip Trattamento DS-SS in trasmissione (3/3)

18. Trattamento DS-SS in ricezione (1/3) • Dal segnale a radio frequenza si passa con una demodulazione ad un segnale filtrato passa-basso. • Quest’ultimo è l’ingresso ad un correlatore che opera sul segnale di espansione. • L’uscita del correlatore è inviata ad un dispositivo di decisione, che restituisce i dati di utente. • Questa catena di trattamenti del segnale ricevuto sul canale a radio-frequenza è illustrata in Fig. A.3. • la formazione del segnale dati a partire dal segnale a valle del demodulatore è mostrata in Fig. A.4.

19. RICEVITORE Segnale filtrato passa-basso correlatore Somme campionate prodotti segnale ricevuto Dati di utente X integratore decisione demodulatore Portante radio Segnale di espansione Fig. A.3 Trattamento DS-SS in ricezione (2/3)

20. Tb Dati di utente XOR 0 1 Tc Segnale di espansione Trattamento in ricezione 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 = Segnale SS 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 Tb : intervallo di bit Fig. A.4 Tc : intervallo di chip Trattamento DS-SS in ricezione (3/3)

21. Correlatore (1/2) • Il cuore del ricevitore DS-SS è quindi un correla-tore che opera un filtraggio passa-basso sul risultato dell’operazione di compressione (de-spreading) e che equivale a un filtro adattato al segnale di espansione. • È infatti noto che, in presenza di particolari condizioni di disturbo (rumore additivo bianco), questo filtro adattato può essere realizzato nella forma di un correlatore che opera sul segnale espanso s(t) uscente dalla sezione RF e sullo stesso segnale di espansione c(t) utilizzato in trasmissione.

22. Correlatore (2/2) • Se il canale tra trasmettitore e ricevitore può essere modellato con un filtro ideale e con un rumore additivo bianco, la ricezione ottima di un segnale DS-SS si attua integrando nel tempo il prodotto s(t)c(t) dei segnali s(t) e c(t), con il vincolo che quest’ultimo sia sincronizzato con il primo; l’intervallo di integrazione per la rivelazione dell’ n-esimo bit del segnale di utente è quello nTb÷(n+1)Tb, avendo indicato con Tb l’intervallo di bit. • Questo integratore e il dispositivo che effettua la moltiplicazione s(t)c(t) costituiscono il correlatore di un ricevitore per segnale DS-SS.

23. Operatività del correlatore (1/7) • Per fornire una illustrazione intuitiva dell’operatività del correlatore come componente di base in un ricevitore DS-SS, facciamo riferimento ai casi illustrati nelle Figg. A.5, A.6 e A.7, che riguardano • un trasferimento di una sequenza di dati di utente nella quale si ha alternanza regolare di 1 e − 1 e assenza di rumore additivo; • segnale di espansione c(t) con intervallo di chip Tc, che è uguale a 1/8 dell’intervallo di bit Tb.

24. Operatività del correlatore (2/7) • Ciascuna delle tre figure riporta nell’ordine, dall’alto verso il basso, la forma d’onda del • segnale espanso s(t) all’ingresso del correlatore; • segnale di espansione c(t) all’ingresso del correlatore; • segnale all’uscita dell’operazione di prodotto s(t)c(t). • Infine l’ultima forma d’onda nelle figure riguarda il risultato dell’integrazione mentre il segno • rappresenta il valore sottoposto al rivelatore di soglia.

25. Tc Segnale ricevuto s(t) t Segnale di espansione c(t) t Segnale prodotto s(t)c(t) t 1 − 1 t Tb Tb intervallo di bit Tc intervallo di chip Operatività del correlatore (3/7) Fig. A.5

26. Tc Segnale ricevuto s(t) t Segnale di espansione c(t) t Segnale prodotto s(t)c(t) t 1/2 0 t 0 −1/2 Tb Tb intervallo di bit Tc intervallo di chip Operatività del correlatore (4/7) Fig. A.6

27. Tc Segnale ricevuto s(t) t Segnale di espansione c(t) t Segnale prodotto s(t)c(t) t 0 t −1/8 −1/8 −1/4 Tb Fig.A.7 Tb intervallo di bit Tc intervallo di chip Operatività del correlatore (5/7)

28. Operatività del correlatore (6/7) • Entrando nello specifico • nella Fig. A.5, la correlazione è effettuata sul segnale espanso s(t) e sul suo pertinente segnale di espan-sione c(t) supposto in condizioni di sincronismo; • nella Fig.A.6, la correlazione è effettuata sullo stesso se-gnale espanso considerato nella Fig. A.5 e su un segnale di espansione che è ortogonale a quello utilizzato nella Fig. A.5 e che quindi non è pertinente a s(t); • nella Fig.A.7, la correlazione è effettuata su un segnale espanso che, rispetto a quello considerato nella Fig.A.5, è ritardato di Tb/8 e su un segnale di espansione che è lo stesso considerato in Fig.A.5 e che quindi è pertinente a quest’ultimo.

29. Operatività del correlatore (7/7) • Come si vede dalla Fig.A.5, se si correlano un segnale espanso e il suo pertinente segnale di espansione, tra loro in condizioni di sincronismo, il decisore è in grado di rivelare correttamente la sequenza di dati trasferita. • Se invece, come appare in Fig.A.6, la correlazione è effettuata su un segnale espanso e su un segnale di espansione che è ortogonale a quello pertinente, non è consentito al decisore di rivelare valori corretti. • Infine se, come in Fig.A.7, si correlano un segnale espanso e il suo pertinente segnale di espansione senza condizio-ni di sincronismo, il risultato è ancora una decisione er-rata.

30. Appendice • A.3Trattamento FH-SS

31. Trattamento FH-SS (1/5) • Variazioni discrete della frequenza portante. • la sequenza di cambiamenti di frequenza de-terminata attraverso una sequenza PN; • Due versioni (cfr. Fig.A.8) • salto veloce: varie frequenze per bit di utente; • salto lento: vari bit di utente per frequenza.

32. T b Dati di utente 0 1 0 1 1 t f T d f Salto lento 3 f 2 (3 bit/salto) f 1 t T f d f Salto veloce 3 f 2 (3 salti/bit) f 1 t T : periodo di bit T tempo di stazionamento b d - Trattamento FH-SS (2/5) Fig. A.8

33. Trattamento FH-SS (3/5) • Vantaggi. • fading selettivo in frequenza e interfe-renza limitati a breve periodo; • implementazione semplice; • usa solo una piccola porzione dello spettro ad ogni istante. • Svantaggi • non robusto come il DS SS; • più semplice da intercettare

34. TRASMETTITORE Segnale trasmesso espanso Segnale a banda stretta Dati di utente modulatore modulatore Sintetizzatore di frequenza Sequenza di salto Trattamento FH-SS (4/5) Fig A.9

35. RICEVITORE Segnale a banda stretta Segnale ricevuto Dati di utente demodulatore demodulatore Sintetizzatore di frequenza Sequenza di salto Trattamento FH-SS (5/5) Fig.A.10

36. Appendice A • A.4Immunità all’interferenza di un sistema SS

37. Immunità all’interferenzadi un segnale DS-SS (1/3) • Supponiamo che il segnale DS-SS s(t) sia disturbato da un segnale n(t) intenzionalmente interferente. • All’ingresso del ricevitore si ha allora r(t) = s(t) + n(t) = Acm(t) c(t) cos 0t + nJ (t) nJ (t) = AJcos 0t • Al ricevitore si effettua una compressione spettrale (Despreading) pilotata da un generatore di codice PN sincrono con il segnale ricevuto.

38. Immunità all’interferenzadi un segnale DS-SS (2/3) • L’uscita del compressore è v1 (t) = Acm(t) cos 0t + AJc (t) cos 0t dato che c2 (t) = (± 1)2 = 1 • Il segnale BPSK – DS-SS è tornato ad essere un segnale BPSK e quindi la banda passante è passata dal valore 2Rc all’ingresso del ricevitore al valore 2 Rb con un fattore di compressione Rc /Rb.

39. Immunità all’interferenzadi un segnale DS-SS (3/3) • A valle dell’operazione di demodulazione e all’ingresso del filtro passa-basso, risulta v2 (t) = Acm(t) + AJc (t). • All’uscita del filtro passa-basso la potenza della componente di disturbo è mentre quella all’ingresso del filtro è uguale a

40. DSP (approssimata)di un segnale BPSK-DS-SS (1/2) • Nella figura A.11 viene mostrato lo spettro di densità di potenza (DSP) in forma approssimata come convoluzione dei DSP • Pm (f) del segnale-dati m(t) con ritmo binario Rb • Pc(f) del segnale di espansione c(t) con ritmo di chip Rc.

41. Pm(f) 1 / 2Rb - Rb + Rb Pc(f) 1 / 2Rc - Rc + Rc DSP (approssimata)di un segnale BPSK-DS-SS (2/2) Fig.A.11

42. Effetto dell’espansione sull’interferenza (1/3) • La Figura A.12 mostra l’effetto dell’espansione su interferenze a banda stretta e larga. • Le Figg. i) e ii) riguardano l’operatività del trasmettitore e mostrano i DSP (in forma appros-simata) del segnale di utente a monte e a valle dell’espansione.

43. Effetto dell’espansione sull’interferenza (2/3) • Invece le Figg. iii), iv) e v) si riferiscono al ricevitore; in particolare • la Fig. iii) mostra la sovrapposizione,a monte della compressione dei DSP del segnale SS ricevuto e di interferenze a larga banda e a banda stretta; • le Figg. iv) e v) considerano l’effetto della compressione e della successiva operazione di filtraggio passa-basso.

44. P(f) P(f) Segnale di utente Interferenza larga banda Interferenza banda stretta i) ii) f f TRASMETTITORE P(f) P(f) P(f) iii) iv) v) f f f RICEVITORE Effetto dell’espansione sull’interferenza (3/3) Fig. A.12

45. Appendice A • A.5Trasmissione multi-portante e l’OFDM

46. Trasmissione multi-portante e l’OFDM (1/4) • In una trasmissione multi-portante un singolo flusso di dati (segnale di ingresso) è trasmesso su un certo numero di sotto-portanti a banda stretta tra loro adiacenti, in modo che la banda complessiva così occupata non sia sostanzialmente modificata rispetto a quella richiesta per trasferire lo stesso segnale di ingresso su una singola portante. • Il vantaggio di questa tecnica risiede nel fatto che il segnale trasferito su ogni sotto-portante, se la banda da questa resa disponibile è sufficientemente stretta, può subire una distorsione lineare talmente ridotta da non richiedere operazioni di equalizzazione.

47. Trasmissione multi-portante e l’OFDM (2/4) • L’ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) è una particolare tecnica di trasmissione multi-portante nella quale,con un’accorta scelta della distanza tra sotto-portanti adiacenti, si riesce a • minimizzare tale distanza a parità dell’intervallo tra i simboli del flusso di dati attribuito a ogni sotto-portante; • evitare, al tempo stesso, l’interferenza tra le sotto-portanti in cui viene suddivisa la banda disponibile.

48. Trasmissione multi-portante e l’OFDM (3/4) • L’attuale successo di questa tecnica, che si manifesta nella sua adozione in sistemi di comunicazione wireless a larga banda, operanti in presenza di fenomeni di fading a breve termine di elevata entità, risiede • nella sua possibilità di realizzazione relativa-mente agevole impiegando un noto algoritmo della tecnica di elaborazione numerica dei segnali; • nella sua possibilità di fronteggiare con successo la dispersione dei ritardi (delay spread) prodotta da cammini multipli.

49. Trasmissione multi-portante e l’OFDM (4/4) • Circa la capacità trasmissiva che un sistema OFDM è in grado di assicurare, occorre conside-rare che, in ogni intervallo di simbolo del segnale di ingresso, si trasmette in parallelo un elevato numero di bit, dato dal numero di bit che ciascu-na sotto-portante trasferisce in un simbolo (pos-sono essere due con una modulazione 4PSK fino a 6 con la modulazione 64QAM) moltiplicato per il numero di sotto-portanti utilizzate. • Si possono così raggiungere capacità trasmis-sive di valore anche molto elevato.

50. Appendice A • A.6Trattamenti OFDM in banda-base