Introduzione
Le modulazioni multiportante (MC) sono state oggetto, negli ultimi anni, di un considerevole interesse nel campo delle trasmissioni ad alta velocità sia in ambito wired sia in ambito wireless. Esse, infatti, rappresentano uno strumento molto efficace per riuscire a contrastare il problema della trasmissione digitale ad alta capacità su canali che presentano spiccati problemi di interferenza intersimbolica dovuti a fading selettivo. Gli esempi più noti di tecniche multiportante sono l’OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) e la DMT (Discrete Multi-Tone). La prima è stata adottata negli
standard europei DAB (Digital Audio Broadcasting) e DVB-T (Digital Video
Broadcasting – Terrestrial), ed è stata inoltre inserita nello standard Wi-Fi per Wireless
LAN 802.11a/g. La DMT è invece alla base delle comunicazioni ad alto bit-rate per le reti di accesso su cavo in rame ed è dunque utilizzata per i servizi DSL (Digital
Subscriber Line).
Il concetto di modulazione multiportante è stato recentemente generalizzato con l’introduzione, nelle reti di accesso cablate ad alto bit-rate, della modulazione a banco di filtri FMT (Filtered Multi-Tone) in cui i flussi informativi sono trasmessi sulle differenti sottoportanti utilizzando impulsi sagomati, diversamente da quanto accade nell’OFDM e nella DMT per le quali gli impulsi sono rettangolari. Inoltre l’impulso nella FMT è significativamente più lungo del tempo di simbolo su ciascuna sottoportante, così che le forme d’onda per differenti simboli si sovrappongono nel tempo. L’effetto della sagomatura dell’impulso è di consentire un’esatta limitazione in banda dello spettro dei
Introduzione
segnali sulle differenti sottoportanti, mantenendo l’ortogonalità nonostante la sovrapposizione nel tempo. In un certo senso, dunque, la modulazione FMT rappresenta una soluzione duale a quella dell’OFDM in cui gli impulsi non sono sovrapposti nel tempo, ma in frequenza.
La pressoché nulla sovrapposizione in frequenza della FMT porta ad una serie di vantaggi come la flessibilità nell’allocazione di gruppi di sottocanali per differenti servizi, la riduzione della sensibilità alla NEXT (Near-End Cross Talk), ai segnali eco e alle interferenze da banda adiacente, e l’aumento dell’efficienza spettrale dovuta all’eliminazione dell’estensione ciclica (tipica delle altre modulazioni multiportante) per l’equalizzazione nel dominio della frequenza.
Il maggior svantaggio di questa modulazione è causato proprio dalla sagomatura dell’impulso: la corretta equalizzazione di canale e la demodulazione dei dati richiede un preventivo recupero dei sincronismi.
La modulazione FMT ha trovato diverse applicazioni: è stata innanzitutto inclusa nello standard interim per reti VDSL (Very-high-speed DSL) e di recente è diventata parte, assieme all’OFDM, dello standard per il canale di ritorno del DVB-T, essa, inoltre, è in corso di valutazione per applicazioni in reti di acceso a banda larga e per wireless LAN.
Infine merita ricordare che la modulazione FMT è uno dei punti di forza dello standard TETRA (Terrestrial Trunked RAdio) introdotto nel 1991 dall’ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) in collaborazione con la Commissione
Europea e con la TETRAMoU association, allo scopo di combinare telefonia cellulare, trasmissione dati e radio mobile digitale sulla stessa piattaforma cellulare. Lo standard è stato progettato per servire quei sistemi radio mobili cellulari detti PTMR (Private
Trunked Mobile Radio), che rappresentano l’evoluzione delle più semplici reti private
utilizzate da un ristretto numero di utenti, semplici da installare e con basso costo di esercizio, ma che tuttavia non sono molto flessibili perché necessitano della presenza dei mobili all’interno dell’area di copertura reciproca, e perché non consentono chiamate da altre reti o ad altri utenti. I sistemi PTMR, invece, sono confrontabili per complessità con i sistemi cellulari pubblici. In essi gli utenti possono raggrupparsi per
Introduzione
gestire un unico sistema o lasciare che diversi sistemi interagiscano tra loro nel cosiddetto ambiente PAMR (Private Access Mobile Radio): funzionamento detto
trunked mode.
Lo standard TETRA è in grado di fornire agli utenti più funzioni contemporaneamente, come voce e dati, e di allocare un valore di banda variabile secondo l’applicazione richiesta (band on demand); esso inoltre è stato progettato per coloro che, in situazioni critiche, richiedono una comunicazione quasi istantanea, sia individuale sia di gruppo: pubblica sicurezza e servizi d’emergenza sono pertanto tra i maggiori impieghi della tecnologia TETRA, ma non vanno dimenticate anche le applicazioni militari.
Dal 2000, ETSI sta procedendo allo sviluppo di TETRA RELEASE 2, evoluzione di terza generazione di questo standard europeo, molto diffuso a livello mondiale.
Gli obiettivi principali sono: l’aumento della velocità di trasmissione dei dati e della mobilità dell’utente, l’integrabilità del nuovo standard con reti 3G come UMTS e l’incremento della capacità di tutto il sistema di riconfigurarsi, in base alle mutevoli caratteristiche del canale di comunicazione e delle condizioni di traffico, rimanendo compatibile con TETRA RELEASE 1.
Il crescente interesse per la modulazione FMT è dimostrato anche dal numero di articoli apparsi di recente in letteratura in merito all’equalizzazione di canale e alla sincronizzazione del segnale, tuttavia pochi sforzi sono stati fatti finora a riguardo del problema della stima dell’offset di frequenza in sistemi basati sulla modulazione FMT: innanzitutto perché la maggior parte degli studi sono stati indirizzati alle comunicazioni in banda base, ed inoltre perché i contributi precedenti su questo argomento riguardano essenzialmente la modulazione OFDM.
Questa tesi pertanto si pone come obiettivo quello di valutare le prestazioni di alcuni algoritmi per il recupero dell’offset di frequenza in sistemi basati sulla modulazione FMT, ed è argomentata nel modo descritto di seguito.
Nel primo capitolo si introduce l’architettura del sistema di comunicazione simulato, concentrando l’attenzione sul modello del segnale multiportante FMT e sull’efficiente
Introduzione
implementazione del modulatore e del demodulatore. Infine si conclude derivando un modello semplificato del segnale ricevuto utile alla trattazione successiva.
Nel secondo capitolo viene prima fatta un’analisi statistica generale del canale radiomobile, evidenziando le problematiche da esso introdotte per una soddisfacente trasmissione, poi si definisce dettagliatamente il tipo di canale multipath implementato, ossia il canale GSM a 6 raggi e i due scenari considerati: Hilly Terrain e Tipically
Urban.
Nel terzo capitolo si descrivono gli algoritmi di stima dell’offset di frequenza analizzati, cercando di valutare per via teorica le prestazioni in termini di bias ed errore quadratico medio su canale Gaussiano e con fading.
Nel quarto capitolo si riportano le curve di MSE (Minimum Square Error) e bias per gli algoritmi di stima, confrontando le prestazioni teoriche con quelle simulate nei due scenari considerati, al variare della velocità del canale, del numero di simboli disponibili per la sincronizzazione e del campo di aggancio degli stimatori.
Nel quinto capitolo si concentra l’attenzione su un sistema multiportante radiomobile che utilizzi la modulazione FMT implementato al calcolatore. Dopo aver descritto brevemente le caratteristiche del simulatore e dei blocchi che lo compongono, si mostra, per piccoli valori dell’offset di frequenza, una soluzione alternativa all’impiego degli stimatori.
Infine nelle due appendici si possono trovare rispettivamente i calcoli matematici che sono stati utili per le conclusioni sulla valutazione delle prestazioni degli stimatori, e il corpo principale del programma di simulazione implementato, insieme con alcune sottofunzioni che simulano i blocchi principali, scritti in linguaggio di programmazione FORTRAN90.
