Accesso multiplo e sistemi cellulari

Lo spettro radio è una risorsa limitata, da condividere tra milioni di utenti. Le tecniche di accesso multiplo decidono come più utenti usano lo stesso mezzo senza disturbarsi, e il sistema cellulare permette di riusare le stesse frequenze in luoghi diversi. In questa lezione vediamo FDMA, TDMA, CDMA e OFDMA, il principio cellulare con il riuso delle frequenze, e i metodi di accesso casuale delle reti locali.

Le tecniche di accesso multiplo

• FDMA (divisione di frequenza): ogni utente ha la sua banda. È la tecnica della radio e della telefonia analogica; semplice, ma ogni canale richiede filtri e le bande di guardia sprecano spettro.
• TDMA (divisione di tempo): tutti usano la stessa frequenza, a turno, in intervalli di tempo assegnati. Il GSM combinava le due: portanti da 200 kHz, ciascuna divisa in 8 intervalli di tempo. Richiede una sincronizzazione precisa e tempi di guardia per compensare le diverse distanze.
• CDMA (divisione di codice): tutti trasmettono contemporaneamente sulla stessa banda, ciascuno moltiplicando i propri bit per un codice veloce (una sequenza pseudo-casuale di “chip” per bit), e il ricevitore separa gli utenti correlando con il codice giusto.
• OFDMA (divisione di frequenza ortogonale): blocchi di sottoportanti OFDM e di tempo assegnati dinamicamente agli utenti (lezione sull’OFDM). È la tecnica del 4G, del 5G e del Wi-Fi 6.

Lo spettro espanso e il CDMA

Moltiplicando un bit per un codice di chip la banda si allarga di volte (spettro espanso). Il ricevitore correla con lo stesso codice: il segnale voluto si “ricompatta” e la sua energia si somma, mentre il rumore, le interferenze strette e gli altri utenti (con codici diversi, quasi ortogonali) restano sparsi su tutta la banda e solo una frazione passa. Il miglioramento è il guadagno di elaborazione

Con 128 chip per bit, dB: un segnale ricevuto sotto il livello del rumore si demodula senza problemi. È esattamente come funziona il GPS (lezione sulla correlazione di Teoria dei segnali). Lo spettro espanso resiste anche al disturbo intenzionale e ai cammini multipli, ed è nato in ambito militare. Il CDMA è stato la base della telefonia 3G; il suo limite è il problema vicino-lontano: un terminale vicino alla stazione base coprirebbe quelli lontani, e serve un controllo di potenza preciso, centinaia di volte al secondo.

Il principio cellulare

Una sola antenna potentissima per una città potrebbe servire pochi utenti, uno per canale. L’idea delle celle (Bell Labs, anni ’70): dividere il territorio in tante aree piccole, ciascuna servita da una stazione base di potenza moderata, e riusare le stesse frequenze in celle abbastanza lontane da non disturbarsi.

Con un fattore di riuso (figura) lo spettro è diviso in sette gruppi; celle con lo stesso gruppo sono separate da due celle con gruppi diversi. Il numero di utenti servibili cresce con il numero di celle: dimezzando il raggio delle celle si quadruplica la capacità sulla stessa area, con le stesse frequenze. Per questo nelle città le celle sono di poche centinaia di metri, e nei luoghi affollati (stadi, stazioni) ci sono microcelle e picocelle.

Due meccanismi rendono il sistema utilizzabile:

• il passaggio di cella (handover): quando un terminale si sposta, la rete lo trasferisce alla cella vicina senza interrompere la comunicazione;
• la localizzazione: la rete sa in quale area si trova ogni terminale, per poterlo chiamare.

Nei sistemi moderni (4G, 5G) le celle vicine usano spesso tutte le stesse frequenze (), e l’interferenza ai bordi si gestisce coordinando le risorse OFDMA tra stazioni vicine e con antenne a fascio orientabile, che concentrano la potenza verso il singolo utente.

L’accesso casuale

Nelle reti locali il traffico è a raffiche e non conviene assegnare risorse fisse. Le stazioni trasmettono quando hanno qualcosa da inviare e gestiscono le collisioni:

• ALOHA (Hawaii, 1971): si trasmette quando si vuole, e se il pacchetto collide si ritrasmette dopo un ritardo casuale. Semplice, ma sfrutta al massimo il 18% del canale (il 37% nella versione a intervalli).
• CSMA: prima di trasmettere si ascolta il canale e si aspetta che sia libero. Il Wi-Fi usa CSMA/CA, con attese casuali crescenti dopo ogni collisione e conferma di ricezione per ogni pacchetto, perché una radio non può ascoltare mentre trasmette.

È per questo che una rete Wi-Fi affollata rallenta più di quanto suggerirebbe la divisione della banda per il numero di utenti: una parte crescente del tempo si perde in attese e collisioni. Le versioni recenti del Wi-Fi hanno introdotto l’OFDMA proprio per servire più utenti nello stesso istante, in modo ordinato.