I servizi DVB-SH e laTecnologia Spread Aloha 1

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I servizi DVB-SH e la

Tecnologia Spread Aloha

Questo capitolo presenta la tecnologia broadcast DVB-SH e le motivazioni che spingono a integrarvi un canale di ritorno affidabile. Successivamente, dopo una panoramica sulle tecniche di accesso casuale al canale viene mostrata la tecnologia Spread Aloha, particolarmente adatta a questo scenario. Infine viene introdotto il progetto Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), il formato di modulazione, il modello del segnale ricevuto e i parametri fissati allo stato attuale entro tale progetto e che saranno usati nel corso della tesi.

1.1 Comunicazioni ibride satellitari/terrestri: il DVB-SH

Il Digital Video Broadcasting – Satellite services to Handhelds (DVB-SH) è uno standard di livello fisico per la trasmissione di contenuti multimediali e più in generale di dati broadcast verso terminali mobili come per esempio cellulari, palmari, autoveicoli.

Questo paragrafo è suddiviso in due parti. Nella prima viene presentato brevemente il DVB-SH così come definito nei documenti ETSI e le sue proprietà che giustificano l'appellativo di “ibrido”. Nella seconda parte viene mostrato il problema del canale di ritorno, dato che al momento ETSI ha definito solamente il canale di

finalizzate a fornire un collegamento bidirezionale per il DVB-SH facendo uso, come canale di uplink, della rete cellulare terrestre, del solo canale satellitare, oppure di entrambi.

1.1.1 La tecnologia DVB-SH

Il DVB-SH rappresenta l'evoluzione del precedente DVB-H verso tecniche di trasmissione più robuste ed efficienti e verso la possibilità di costruire una rete ibrida. Lo standard è definito nei documenti ETSI TS 102 585 ed ETSI EN 302 583 [1][2], è derivato da DVB-H, DVB-T, DVB-S2 ed è pensato per sistemi riceventi sotto i 3 GHz dotati di antenne compatte e a direttività limitata, caratteristiche tipiche dei terminali mobili.

Per le prime sperimentazioni è stata scelta la banda S che si pone immediatamente sopra le zone dello spettro usate dai sistemi 3G UMTS (Fig. 1.1). Tale scelta è dovuta fatto che la banda S risulta immediatamente disponibile in tutta Europa, ma comunque non è esclusa la possibilità in futuro di estendere il servizio anche su altre bande (ad esempio la banda L 1.452 ÷ 1.492 GHz).

La caratteristica più innovativa è la possibilità di combinare una componente satellitare, detta Satellite Component (SC), e una componente terrestre di supporto detta Complementary Ground Component (CGC) per ottenere un'unica rete ibrida avente una copertura totale e continuativa dell'aerea geografica di interesse. Il segnale

Fig. 1.1 – Posizione delle bande uplink/downlink per il DVB-SH e i servizi MSS.

può raggiungere i dispositivi mobili attraverso due percorsi: • percorso satellitare, da SC verso terminale;

• percorso terrestre, da CGC a terminale.

Il terminale nei casi sfavorevoli riceve solo uno dei due segnali, mentre nei casi favorevoli li riceve entrambi riuscendo a migliorare la ricezione con tecniche di diversità. Tutto questo risulta trasparente all'utente finale che utilizza i servizi.

La rete del CGC è costituita da ripetitori terrestri a bassa o media potenza (Fig. 1.2) alimentati da reti di distribuzione broadcast di vario tipo (DVB-S2, fibra, xDSL etc, oppure lo stesso segnale DVB-SH da satellite) che sono di tre tipologie:

a) Trasmettitori broadcast tipicamente collocati sulle base station cellulari, adatti alle aree urbane dove la ricezione da satellite non è sempre buona. Questi trasmettitori possono inserire contenuti locali (che differiscono da quelli globali, cioè visibili in tutta Europa) tramite un adeguato frequency planning; b) Trasmettitori di tipo gap-fillers, il cui utilizzo tipico è la rpetizione del segnale

ricevuto da satellite, su di un'area indoor. Non è possibile l'inserimento di contenuti locali;

c) Trasmettitori mobili. L'inserimento di contenuti locali è possibile o meno a seconda dei casi.

La componente satellitare (SC) assicura una copertura del territorio di tipo globale e preferibile per gli scenari di tipo outdoor, mentre la componente terrestre di supporto (CGC) assicura una copertura cellular-type e dunque preferibile per gli scenari indoor. Un ulteriore vantaggio di questa configurazione ibrida è che SC consente di usare i servizi fin da subito, mentre la rete terrestre viene aggiornata con i nuovi apparati per DVB-SH (si tratta di fare un upgrade degli apparati DVB-H già installati).

DVB-SH prevede due modalità di trasmissione. Per il percorso indiretto è infatti prevista una OFDM derivata da DVB-T/DVB-H, mentre per il percorso diretto sono previsti sia OFDM che un TDM derivato dal DVB-S2, dando così vita a due differenti architetture di riferimento DVB-SH:

• SH-A che utilizza OFDM su entrambi i percorsi. Il vantaggio è la possibilità di creare una rete SFN così come già avviene a terra per il DVB-T. Si ottimizzano le risorse frequenziali ma il transponder su satellite deve essero fatto operare in zona quasi-lineare, anzichè in saturazione, con una conseguente riduzione dell'efficienza energetica;

• SH-B utilizza OFDM sul percorso indiretto, e una TDM apposita per il percorso diretto. I parametri delle due modulazioni sono configurabili in maniera indipendente, si perde la possibilità di una SFN, i terminali di ricezione sono più complessi ma si ottiene un miglior utilizzo degli amplificatori satellitari.

In un primo momento sarà implementata l'architettura SH-A e verificata la condizione di SFN, e saranno utilizzati ripetitori di tipo a) alimentati, per semplicità, via satellite in banda Ku. Successivamente sarà sperimentata l'architettura SH-B, con l'installazione di ripetitori di altre tipologie e alimentati per vie differenti. I terminali progettati per ricevere segnali SH-B saranno pienamente compatibili con SH-A, poiché sarà sufficiente la disattivazione del ramo TDM di ricezione. Sia in SH-A che SH-B è possibile l'utilizzo di antenne multiple in ricezione. In SH-A si migliora

ulteriormente la ricezione combinando i due segnali (signal diversity). In SH-B è ancora possiblile una ricombinazione dei due segnali che può migliorare la ricezione, grazie alla tecnica di code-diversity ed alla struttura di trama condivisa tra modalità TDM e OFDM.

Le costellazioni scelte per la TDM sono QPSK, 8PSK e 16APSK, mentre per la OFDM sono possibili la QPSK, 16QAM, e 16QAM non uniforme, utilizzate su un numero di portanti 8k, 4k, 2k, oppure 1k, con supporto alla modalità gerarchica (accorpamento di più flussi MPEG TS). La banda occupata è, come gli altri parametri, flessibile a seconda delle necessità: 8, 7, 6, 5, oppure 1.7 MHz. I segnali in banda base sono sottoposti al time slicing, ovvero giungono al ricevitore mobile sotto forma di burst di lunghezza variabile conformi al DVB-H. Tipicamente ad un burst è associato un servizio, come per esempio un certo canale TV: al ricevitore è sufficiente ricevere il burst di interesse, risparmiando così la batteria del terminale.

La conseguenza della flessibilità nella scelta dei parametri è la possibilità di pianificare un riutilizzo dei canali radio in modo da dedicare parte dello spettro all'inserimento di contenuti a livello locale. Prendendo come esempio di riferimento la pianificazione prevista per il satellite Eutelsat W2A da poco lanciato, notiamo che la

canalizzazione scelta per la banda S è di 5 MHz (su cui possono passare ad esempio 9 canali televisivi a bassa risoluzione) e gli spot beam a terra sono configurati come in Fig. 1.3. La banda totale assegnata è 2170-2200 MHz per il downlink, di cui però solo i primi tre canali, cioè 15 MHz, saranno per il momento effettivamente utilizzati (gli altri tre rimangono assegnabili ad un operatore alternativo). Nazioni confinanti useranno un canale satellitare differente, allo scopo di avere interferenze interbeam tollerabili. La CGC, in modalità SH-A, dovrà occuparsi di reirradiare il canale satellitare per coprire aree indoor, ed inoltre avrà due canali per poter inserire contenuti locali. Il risultato sarà che in ogni località d'Europa saranno ricevibili 5 MHz di servizi globali, più 10 MHz di servizi locali dove il terminale è sotto copertura della CGC. In Fig. 1.4 è schematizzata tale pianificazione delle frequenze.

Altri punti di forza della Tecnologia DVB-SH sono:

• FEC di ultima generazione: codice turbo 3GPP2 inter-burst, in aggiunta all'MPE-FEC intra-burst ereditato da DVB-H;

• Interleaver che lavora su tempi lunghi. In abbinamento al FEC, consente di recuperare fading anche di svariati secondi;

• Piena compatibilità con i protocolli IP Datacast.

1.1.2 Utilità di un canale di ritorno satellitare a basso costo

Le comunicazioni via satellite sono intrinsecamente broadcast. Vi sono però molte situazioni in cui una comunicazione two-way basata su protocolli IP può dar vita a una serie di servizi soprattutto nel settore dei trasporti e di emergenza, nonché di tipo location-based qualora il terminale incorpori un modulo GPS/Galileo. Alcuni esempi di applicazione sono:

• pagamento pedaggi; • monitoraggio ambientale; • servizi di messaggistica;

• segnalazione della posizione dei terminali; • chiamate di emergenza;

• gestione situazioni di crisi e catastrofi; • video streaming on demand;

• aggiornamento in tempo reale delle mappe stradali.

Il problema cui si va incontro è quello di implementare un protocollo di comunicazione two-way satellitare affidabile, che faccia uso di un uplink semplice e low cost e che in downlink sia pienamente integrato nel broadcast DVB-SH.

E' possibile che in futuro ciascun veicolo venga dotato di un box contenente un software intelligente per la gestione di tutti i servizi sopracitati. In combinazione con il modulo GPS/Galileo e grazie al flusso continuo di dati da e verso il terminale, sarà possibile il cosiddetto cooperative driving e la gestione del traffico in tempo reale, oltre a segnalazioni di potenziali pericoli per i guidatori. Il box potrà rimanere sempre in funzione, perché sarà raggiungibile in modo trasparente sia tramite connessione terrestre che satellitare. Per l'uplink terrestre la scelta più naturale è quella di applicare nella banda S gli standard cellulari 2.5 e 3G e aggiornare le già esistenti celle terrestri per supportare le nuove frequenze. Per l'uplink satellitare invece è necessario pensare ad una nuova tecnica di accesso a causa dell'elevato numero di terminali. Questi

saranno infatti dell'ordine dei milioni, se pensiamo ai veicoli presenti contemporaneamente in zone rurali e sotto il medesimo spot satellitare.

1.2 I canali di ritorno Random Access per comunicazioni a pacchetto

I sistemi ad accesso multiplo per comunicazioni satellitari si distinguono fra quelli fissi o comunque assegnati in modo dinamico, e quelli casuali. I primi possono basarsi su tecniche quali FDMA, TDMA, CDMA e sono da preferire per i sistemi a commutazione di circuito perchè introducono ritardi noti e gestiscono bene flussi di dati stabili. I secondi invece hanno tutti origine dal protocollo ALOHA, messo a punto negli anni '70 e sono i più appropriati per i sistemi a pacchetto. Approfittando della caratteristica bursty delle sorgenti di dati, essi sono in grado di servire popolazioni numerose di utenti lasciando però che il canale venga conteso, compaiono infatti collisioni fra i pacchetti e non vi sono garanzie sui ritardi prima che il messaggio giunga a destinazione. Un assegnamento fisso o dinamico delle risorse non è efficiente, perché rischia di rimanere sottoutilizzato. Inoltre, a seconda del carico di lavoro cui sono sottoposti, i sistemi ad accesso casuale possono avere ritardo medio anche più basso dei sistemi ad assegnamento fisso. Lo scenario trattato in questa tesi prevede una popolazione di utenti molto estesa che devono inviare messaggi brevi e

quasi real-time in uplink verso il satellite. Per questo saranno discusse le sole tecniche

Random Access.

Uno dei parametri più importanti da considerare è il throughput normalizzato, indicato con S. Esso è un numero compreso fra 0 ed 1, ed è definito come la frazione di tempo durante la quale il canale può essere usato per trasmettere effettivamente il traffico degli utenti. Rappresenta cioè il rapporto fra la velocità complessiva di dati del traffico aggregato degli utenti e la velocità massima R dei dati con cui potrebbe trasmettere un utente se avesse il canale a lui esclusivamente dedicato. S deve essere distinto dal traffico offerto normalizzato G, poiché a causa delle collisioni non tutte le richieste in entrata al sistema vengono soddisfatte.

Nel caso in cui il processo dell'inoltro con successo dei messaggi sia modellabile come un processo di Poisson, S è legato all'intensita dei pacchetti accettati dal sistema in questo modo:

S= a

R/ N_b=aTp , Nb=R Tp (1.1)

dove λa è l'intensità del processo espressa in messaggi al secondo accolti, Nb è il

numero di bit che compongono un pacchetto e Tp è il tempo medio di servizio, che in

questo caso corrisponde al tempo di occupazione del canale da parte di un singolo messaggio. Quando si tratta di confrontare il throughput di sistemi molto differenti, può essere utile normalizzare rispetto alla banda occupata anzichè alla capacità R del particolare sistema: S R BRF =aNb BRF bit/s/Hz. (1.2)

Nel primo sottoparagrafo vengono richiamate le tecniche ALOHA e slotted ALOHA (SA), per poi esporre la tecnica Spread Spectrum ALOHA (SSA). Il confronto che viene fatto qui si basa sul throughput ma esistono anche altri parametri prestazionali come il ritardo medio dell'inoltro e la Packet Loss Ratio (PLR). Altre tecniche derivanti da ALOHA possono essere trovate in [5] e [6].

1.2.1 Aloha e Slotted Aloha

L'originario ALOHA (pure ALOHA) fu proposto da Abramson dell'Università delle Hawaii nel 1970. Inizialmente fu pensato per interconnettere i calcolatori dell'università usando postazioni radio terrestri broadcast, ma il principio è così semplice che può essere applicato a qualunque scenario dove un gran numero di utenti devono condividere uno stesso canale avente capacità R bit/s.

Gli utenti trasmettono i proprio pacchetti alla massima velocità R consentita non appena li hanno disponibili e in maniera completamente asincrona, nella speranza che nessun altro utente stia trasmettendo. Dal momento che un certo numero di

collisioni (sovrapposizioni parziali o totali tra i pacchetti) sono inevitabili e portano alla loro perdita, i trasmettitori rimangono in attesa di un breve messaggio di

Acknowledgement (ACK) da parte del ricevitore, oppure controllano loro stessi che il

satellite ripeta in modalità broadcast il messaggio appena inviato. In caso di collisione, il trasmettiore tenta un nuovo inoltro dopo un ritardo scelto casualmente. E' stato dimostrato che le prestazioni migliori si ottengono quando i pacchetti sono sempre della stessa durata, indicata con Tp.

Per il calcolo del throughtput normalizzato sono state fatte le assunzioni che seguono. Innanzitutto si suppone un numero di utenti tendente a infinito, in modo da poter modellare il processo degli arrivi dei pacchetti (trasmissioni più ritrasmissioni) come un processo di nascita di Poisson di intensità λ0 arrivi/s. Il traffico offerto

normalizzato G e l'intensità degli arrivi sono legati dal tempo Tp di trasmissione di un

pacchetto:

G=_oT_p . (1.3)

L'altra ipotesi è quella di considerare la perdita di pacchetti causata unicamente da collisioni e non da errori dovuti al rumore sul canale, ovvero viene sottintesa la presenza nei pacchetti di una certa codifica che consente di trascurare la BER. L'ultima assunzione importante che viene fatta è che gli utenti trasmettono con la stessa potenza. Se così non fosse, andrebbero tenuti in considerazione alcuni eventi risolvibili di collisioni tra un pacchetto forte e uno debole. Grazie alla scelta casuale del ritardo per la ritrasmissione, anche il processo degli arrivi accolti è ancora un processo di Poisson, con intensità λa . Il throughput S è legato a G da:

S=G Ps (1.4)

dove Ps è la probabilità di successo del tentativo di trasmissione. Per la proprietà dei

processi di Poisson, è possibile conoscere la probabilità che sul canale tentino di passare k pacchetti su una finestra di tempo larga M volte un pacchetto:

Pr {k ;t=M T_p}=G M 

k

k ! e

−G M _{. (1.5)}

poiché due tentativi di trasmissione non devono sovrapporsi neanche parzialmente. La probabilità che una trasmissione abbia successo corrisponde alla probabilità che gli altri utenti non inviino pacchetti (k=0) durante tale intervallo:

Ps ALOHA=e−2G . (1.6)

Il throughput normalizzato è allora:

SALOHA=G e−2G . (1.7)

La curva è tracciata in Fig. 1.5 e il massimo throughput si ha:

S_{max ALOHA}≈0.184 @ G=0.5. (1.8)

E' un valore molto modesto, anche se è dimostrato che il ritardo medio di trasmissione (tempo di trasmissione più eventuale ritardo dovuto alle collisioni) è spesso inferiore a quelli riscontrati nei sistemi ad assegnamento. Il problema principale di questo semplice protocollo è dovuto alla sua instabilità. Il valore ottimo trovato G=0.5 è anche il limite fra una condizione di lavoro stabile e una instabile, poiché un improvviso aumento degli arrivi innesca una reazione positiva che porta rapidamente il sistema a S=0 e Ps=0. E' per questo motivo che nella pratica si rimane ben al di sotto

del throughput massimo teorico, e comunque la popolazione di utenti non è infinita ma limitata. I problemi di stabilità sono comuni a tutte le tecniche a contesa, dove le ritrasmissioni sono una quota notevole.

La tecnica Slotted ALOHA (SA), proposta da Roberts nel 1972, cerca di migliorare il throughput al prezzo di reintrodurre circuiti di sincronismo nei trasmettitori. Gli utenti possono trasmettere solo all'interno di certi slot temporali, aventi durata pari ad un pacchetto. In questo modo si eliminano le collisioni parziali dal momento che due o più pacchetti risultano completamente sovrapposti, oppure non lo sono affatto. Con le medesime assunzioni del caso ALOHA, adesso si nota che la finestra vulnerabile è pari alla lunghezza di un solo pacchetto, e si verfica che:

Ps SA=e −G

, SSA=G e −G

, S_{max SA}≈0.368 @ G=1. (1.9)

L'utilizzazione è adesso raddoppiata, come si vede dalla Fig. 1.5.

Se, infine, anziché un unico canale sono disponibili N canali indipendenti scelti casualmente ad ogni trasmissione, si parla di Multiple Aloha Multiple Access

(MAMA). In questo caso il throughput è dato da:

S_MAMA=G e−2 GN , S

slottedMAMA=G e

−G

N . (1.10)

Questi risultati ci indicano che N canali ALOHA hanno N volte il throughput di un singolo canale, quando gestiscono un traffico offerto N volte superiore (sostituendo

G'=NG, dove G era il traffico nel semplice ALOHA). Il massimo throughput vale in

questo caso:

Smax MAMA=

N

2 e @ G = N/2 (1.11)

Nella nostra situazione non è accettabile la bassa utilizzazione consentita da ALOHA, soprattutto a causa dell'alto costo di un sistema satellitare. Non è accettabile neanche la sincronizzazione dei terminali richiesta da SA, poiché l'intento è quello di abbattere il più possibile i costi per l'utente. La prossima tecnica di accesso che verrà mostrata potrebbe risolvere questi problemi.

1.2.2 Spread-Spectrum Aloha Random Access

Se la banda a disposizione per un canale ALOHA venisse incrementata di un certo fattore F, si otterrebbe un accesso multiplo ALOHA a banda larga, nel quale i pacchetti sarebbero F volte più corti come durata e di conseguenza il numero delle collisioni verrebbe notevolmente abbassato. Tuttavia ci sono problemi pratici da affrontare: per mantenere Eb invariato - la qualità di una trasmissione numerica è

legata all'energia per bit - la potenza di trasmissione impiegata in un singolo pacchetto deve essere incrementata del fattore F, andando ad assumere valori molto elevati. Questo è il principale inconveniente che limita l'applicazione di ALOHA pure e slotted ai soli sistemi a banda stretta.

Nei primi anni '90 lo stesso Abramson in [7] e poi in [8] propose la tecnica

Spread-Spectrum ALOHA (SSA). Partendo da un pacchetto di Nb bit, Abramson

mostrò la generazione di un segnale SSA con due operazioni successive (Fig. 1.6): 1) Stretching dei bit: tra un bit e il successivo viene inserito un ritardo di SF chip,

dove SF è lo spreading factor;

2) Spreading: a ciascun bit viene sostituita la sequenza di spreading, moltiplicata per +1 o -1 a seconda del bit. La durata di un pacchetto è Tp = Nb SF Tc

secondi.

Il segnale a spettro espanso così costruito è simile a quello dei sistemi CDMA, con la differenza che adesso tutti gli utenti impiegano lo stesso codice di spreading. Oltre a semplificare i trasmettitori rispetto ad un sistema slotted - si torna infatti ad avere un sistema completamente asincrono - si ha anche una notevole semplificazione del ricevitore rispetto ad un sistema CDMA, perché adesso deve usare un unico codice e non un set di codici in numero pari a quanti sono gli utenti attivi al momento.

La separazione dei pacchetti in ricezione è consentita dai differenti ritardi degli arrivi, grazie al completo asincronismo di questa tecnica. Il ricevitore è dotato di un filtro adattato alla sequenza di spreading e riesce a separare i bit dei vari utenti perché gli impulsi appartenenti ad uno stesso pacchetto compaiono, dopo despreading, con cadenza regolare Tb = SF Tc. (Fig. 1.7) Per questo, due pacchetti che si sovrappongono

fisicamente sul canale non è detto che vengano perduti: adesso ciò che conta ai fini delle collisioni è il segnale osservato dopo il despreading al ricevitore, non sul canale.

La finestra esposta alle collisioni, che nell'ALOHA puro sarebbe larga il doppio di Tp, nell'SSA copre ancora lo stesso tempo totale ma vanno considerati solo

(2 Nb - 1) sottointervalli larghi Tc, perché i tempi vulnerabili sono unicamente il primo

chip di ciascun bit del pacchetto (Fig. 1.8a). Il risultato a cui giunse Abramson, osservando le collisioni, fu che a parità di spettro occupato e di bit rate del canale, si aveva lo stesso miglioramento in throughput che poteva dare un sistema ALOHA allargato in banda di un fattore F=SF. Tutto questo senza che al trasmettitore fosse richiesta una potenza di picco elevata per mantenere la medesima Eb.

L'originario SSA oggi è anche detto Spread ALOHA One Repetitive Code (SAORC) per differenziarlo dalla tecnica Spread ALOHA One Long Code (SAOLC) in cui il codice non viene ripetuto per ciascun bit ma è univoco per tutto il pacchetto. In SAOLC si riduce ulteriormente la probabilità di collisione, perché adesso il tempo vulnerabile è solamente il primo chip del primo bit di un pacchetto (Fig. 1.8b). Si assiste ad una collisione quando due o più pacchetti iniziano all'interno delle finestre vulnerabili. Le probabilità di questo evento risultano essere [9]:

Pcoll SAOLC=

∑

∑





P_{coll SAORC}=N_bP_{coll SAOLC} . (1.13)

Tali probabilità sono sempre molto basse, specialmente in SAOLC, per cui il throughput dei sistemi SSA è limitato, piuttosto che dalle collisioni, dall'interferenza d'accesso multiplo (MAI) che Abramson non aveva affrontato in dettaglio. Nei casi in cui le collisioni possono essere trascurate, si trova anche che il throughput dato SAORC è simile a quello dato da SAOLC.

La corretta ricezione di un pacchetto in SSA avviene finché l'interferenza si mantiene sotto un certo livello, superato il quale il pacchetto decodificato presenta troppi errori e viene perso. Il livello di soglia è dato ad esempio da un Eb/I0 di

riferimento, e dalla presenza o meno di FEC e interleaving. Per questi motivi lo studio del throughput è strettamente legato alla particolare implementazione sotto studio, anche per quanto riguarda la sequenza univoca di spreading utilizzata. Prima di citare qualche esempio tratto dalla letteratura in materia, è possibile fare qualche considerazione generale:

Fig. 1.8 – Finestre di vulnerabilità alla collisione per un pacchetto

• Sistemi SSA slotted e unslotted presentano throughput simili, se osservati dal punto di vista della MAI. Dal punto di vista delle collisioni, sistemi SSA slotted a singolo codice sono più esposti, e dunque meno efficienti;

• Le ricerche vengono solitamente fatte in condizioni ideali di perfect power

control, cioè i pacchetti giungono al ricevitore con la medesima potenza. Di

questo si dovrà tenere conto nei sistemi reali, perché in presenza di sbilanciamenti le prestazioni peggiorano drasticamente;

• L'effetto del rumore termico viene di solito trascurato, perché il rumore dovuto alla MAI è notevolmente superiore;

• FEC e interleaving all'interno del pacchetto migliorano il throughput [10]. In particolare l'interleaving contrasta le forti fluttuazioni della potenza istantanea interferente dovute al completo asincronismo delle trasmissioni.

In [11] gli autori simulano un sistema SAORC privo di FEC, avente pacchetti di lunghezza fissa di 512 bit e SF pari a 60 (SF coincide con il processing gain Gp per via dell'assenza di codifica). Tale sistema viene confrontato con il tradizionale

ALOHA, ma dopo aver normalizzato il traffico offerto/smaltito alla banda occupata: a

Fig. 1.9 – Throughput SAORC normalizzato alla banda occupata e

parità di bit rate di canale, SAORC occupa infatti una banda molto maggiore degli ALOHA e di questo si deve tener conto. I risultati mostrano chiaramente il migliore throughput dato da SAORC, per una BER di 10-4_{. La curva, inoltre, cresce quasi}

linearmente fino al raggiungimento del massimo. Il risultato del confronto è in Fig.1.9. Una trattazione teorica che tiene conto degli effetti di FEC e Interleaving si trova in [12]. Grazie a tali effetti è possibile mitigare le degradazioni dovute ad un improvviso aumento di interferenza: un pacchetto ricevuto non viene perso fintantoché Eb/(N0+I0) mediato sul tempo Tp non supera una certa soglia. Lo studio

viene fatto su di un sistema slotted e calcolando la probabilità che un utente riesca a trasmettere con successo, tenendo conto che il passaggio da slotted ALOHA senza codifica al nuovo sistema SSA con codice a rate r richiede l'invio di un pacchetto più lungo di un fattore Gp per mantenere la stessa banda. La trasmissione ha successo se i pacchetti interferenti sono al massimo Umax:

P_s=

∑

Le espressioni del throughput normalizzato S e del throughput T in bit/s normalizzato al chip rate Rc, risultano:

S=G Gp

∑

∑

La seconda espressione è quella che deve essere confrontata con il throughput di slotted ALOHA. Supponendo sopportabile un numero di interferenti fino a Umax=Gp,

si ottengono le curve di Fig 1.10. Si nota che all'aumentare di Gp, il massimo del throughput tende all'unità!

Ad oggi le tecniche puramente Random Access nei collegamenti satellitari sono di solito limitate alle fasi di login al sistema per poi passare ad un assegnamento fisso delle risorse disponibili, come ad esempio accade nel DVB-RCS. Questo avviene perché in uno scenario satellitare è importante operare con probabilità di collisione molto basse, altrimenti i tentativi di ritrasmissione introducono ritardi eccessivi a causa del forte Round Trip Time sulla tratta. In ALOHA e SA si ha una probabilità di

collisione bassa, per esempio 10-3_{, solo se il carico offerto è anch'esso molto basso, per}

cui non si prestano bene ad un collegamento satellitare. Un SSA opportunamente implementato potrebbe aprire nuove strade e pare essere la scelta giusta per servire terminali fortemente bursty e low duty-cycle. Grazie al completo asincronismo l'overhead da inserire nei pacchetti è minimo, e grazie alle basse probabilità trovate, un pacchetto difficilmente viene perso per collisione. Infine, attraverso la scelta di opportuni FEC e Gp si può arrivare a throughput molto elevati.

1.3 Lo Spread Aloha nel mondo reale: un caso di studio

Il caso preso come riferimento in questo lavoro di tesi è tratto da una importante ricerca attualmente in corso, i cui primi risultati pubblici possono essere trovati in [13] e [14]. L'obiettivo della ricerca è la messa a punto di un sistema low-cost, affidabile, ad elevato throughput (>1 bit/s/Hz) e quasi-real-time, per l'invio di brevi pacchetti dati in uplink sulla banda S da parte di una popolazione molto numerosa di terminali mobili. Lo scenario d'uso è schematizzato in Fig. 1.11.

Fig. 1.10 – Throughput normalizzato per un sistema Spread ALOHA che impiega

Gli utenti sono tipicamente veicoli dotati di antenne non direttive, e un satellite geostazionario si comporta da ripetitore trasparente per i terminali coperti da un certo spot beam. Un Gateway centrale, realizzato in tecnologia software-radio (Fig. 1.12), campiona il segnale dopo il front-end RF, decodifica i pacchetti e restituisce messaggi di ACKs nel downlink DVB-SH. Il punto di forza è che la complessità del sistema è tutta spostata nel Gateway, lasciando che i terminali siano il più possibile basati su tecnologie già esistenti e siano completamente asincroni. La PLR (Packet Loss Ratio) di obiettivo è molto bassa, in modo che il sistema non presenti praticamente necessità di ritrasmissioni. La connessione in downlink è perfettamente integrata nello standard DVB-SH.

Fig. 1.11 – Scenario di utilizzo previsto per un uplink E-SSA.

Il principale punto debole degli accessi SSA (sia SAORC che SAOLC) è la sua estrema sensibilità agli sbilanciamenti in potenza fra i pacchetti ricevuti, in modo simile a quanto avviene nei sistemi CDMA asincroni. Per questo nella messa a punto del sistema, ridenominato dagli autori E-SSA (Enhanced-Spread Spectrum Aloha), sono stati inseriti due accorgimenti fondamentali:

• Un controllo di potenza di tipo open loop nel terminale mobile, basato sull'osservazione della qualità del segnale DVB-SH ricevuto. La trasmissione di un pacchetto viene effettuata solo se il terminale rileva un SNR ricevuto superiore ad una certa soglia. Questo può introdurre qualche latenza e definisce il sistema come quasi-real-time, perché il terminale ritarda l'invio finché non rileva un segnale in condizioni di quasi-LOS (Line of Sight).

• Un innovativo cancellatore di interferenza (SIC) iterativo nel Gateway, che lavora su una finestra mobile di campioni di segnale ricevuto. Su ciascuna finestra vengono eseguite Nmax iterazioni consistenti in:

1) Riconoscimento del preambolo col più alto SNR; 2) Demodulazione del pacchetto ad esso associato; 3) Ricostruzione dell'intero pacchetto;

4) Sottrazione del pacchetto dal segnale ricevuto e ritorno al punto 1).

1.3.1 Formato di modulazione e parametri del sistema

Al fine di minimizzare i costi per gli apparati lato utente, è stato pensato di riutilizzare il Physical Random Access Channel (PRACH) definito dallo standard 3gpp W-CDMA (UMTS), che si presta bene ad un impiego in sistemi asincroni. Alcuni parametri sono rimasti invariati, mentre altri sono stati riadattati in vista del nuovo tipo di utilizzo.

Il chip rate è di 3.84 Mchip/s, che corrisponde ad un tempo di chip Tc di circa

occupata a radiofrequenza è dunque pari a

B_{E −SSA}=1

T_c =4.6848 MHz (1.16)

che si adatta bene ai 5 MHz disponibili sui canali uplink in banda S.

La modulazione impiegata è una Direct-Sequence Spread-Spectrum (DS/SS) in cui i bit da inviare, dopo essere stati codificati da un robusto FEC, vengono affidati al ramo I, mentre sul ramo Q si collocano i bit del canale di controllo. I due flussi subiscono uno spreading reale (codici di canalizzazione), per poi essere uniti insieme e subire una moltiplicazione (scrambling) con una sequenza complessa di Gold predefinita e uguale per tutti gli utenti, ottenendo così uno Spread Aloha SAOLC. Lo schema del modulatore è rappresentato in Fig. 1.13.

Le principali modifiche adottate rispetto allo standard riguardano il dimensionamento del pacchetto e la sequenza di spreading. In particolare il preambolo di pacchetto, che nel PRACH è di 4096 chip, è stato allungato a 24576 chip (Tpr pari a

circa 6.4 ms) per facilitare la sua rivelazione in ricezione, a causa del basso SINR (Signal to Interference + Noise Ratio) con cui si trova a lavorare il Gateway. Di conseguenza il payload è stato fissato per il momento a 307200 chip (anzichè 38400) per limitare l'overhead percentuale (Fig. 1.14). La durata complessiva di un pacchetto

(Tpr + Tpl) è dunque di circa 86.3 ms, visto che preambolo e payload vengono qui

trasmessi insieme, senza aspettare un ACK come succedeva nel PRACH. Nel payload sono previsti vari spreading factor selezionabili. Se ad esempio SF=256 e il rate di codifica è 1/3, il pacchetto trasporta 800 bit informativi. Il bit rate netto del pacchetto si aggira quindi intorno ai 10 Kbps: si tratta di un valore modesto ma assolutamente

sufficiente visto che è previsto un traffico giornaliero dell'ordine del centinaio di messaggi per utente, ossia poche decine di KB.

1.3.2 Modello del segnale ricevuto

Il canale di trasmissione è costituito dalla tratta in salita da terminale a satellite, seguito dalla tratta in discesa da satellite a Gateway. Il ritardo fisico di trasmissione è dato dai 250 ms tipici dei satelliti geostazionari. Si suppone che il satellite lavori in zona lineare, per cui modelliamo il canale come AWGN. Il segnale ricevuto è costituito dalla sommatoria dei pacchetti degli utenti che giungono al Gateway sovrapposti nel tempo e in frequenza, più il rumore. Il Gateway effettua una conversione in banda base (oppure a frequenza intermedia) utilizzando un proprio riferimento locale f0, che non è in fase con le diverse portanti che trasportano i

pacchetti. Per questo bisogna tenere conto di uno scarto di fase θu, diversa per ciascun

utente, rappresentata come variabile aleatoria uniforme in [-π, +π] e supposta costante almeno per la durata del pacchetto. Oltre alla fase deve essere tenuto conto anche di un offset di frequenza Δfu, per i seguenti motivi:

• Movimento relativo fra terminale mobile e satellite, che provoca un effetto Doppler;

• Spostamenti spuri del satellite rispetto alla posizione prevista, dovuti a perturbazioni di vario tipo. In particolare la non perfetta sfericità della Terra causa nei satelliti geostazionari un cambiamento oscillatorio della distanza dal pianeta, che si ripete ciclicamente ogni giorno. Anche questo fenomeno

provoca un effetto Doppler;

• Errore residuo nella conversione di banda che avviene a bordo del satellite, per esempio da banda S alla banda Ka per la comunicazione con il Gateway;

• Imprecisione degli oscillatori locali sui terminali, che devono necessariamente essere a basso costo.

Dei quattro fattori in realtà il primo non è molto rilevante poiché si tratta di satellite geostazionario. Ad esempio se il terminale si sta muovendo con una velocità a terra di 100 Km/h, considerando una trasmissione in banda S su 1982.5 MHz, si ha uno shift Doppler molto modesto e pari a:

f_max=f ₀v

c≈180 Hz (1.17)

Il secondo fattore dà invece un effetto Doppler non trascurabile e merita una precisazione. E' noto infatti che nei sistemi DS/SS l'effetto Doppler agisce su due fronti: Carrier Doppler e Code Doppler. Il primo provoca lo spostamento della portante mentre il secondo tiene conto della diversa cadenza di chip rate Rc con cui

lavorano trasmettitore e ricevitore provocando il code-chip slipping. Questo secondo fenomeno risulta tuttavia significativo solo in situazioni di estremo Doppler (ad esempio per un satellite LEO) e qualora si osservi il segnale per tempi lunghi, per cui nel nostro caso può essere trascurato.

Ci si aspetta che in un tipico scenario E-SSA l'incertezza finale sulla frequenza della portante sia di ±1 KHz, la si modella quindi come una variabile aleatoria di tipo uniforme compresa in [-1 KHz, +1 KHz]. Grazie alla breve durata di un pacchetto, si assume inoltre che l'offset rimanga costante all'interno di esso.

Per quanto riguarda le potenze ricevute, sono state eseguite prove sia in condizioni di potenza costante degli utenti (Au=1) che non. Nel secondo caso, la

dispersione delle potenze è stata modellata come una distribuzione log-normale, che è quella tipicamente usata per rappresentare il fading lento sui canali mobili. Una potenza ricevuta P è distribuita come una log-normale se il suo valore riportato in dB è distribuito come una v.a. normale di parametri μdB, σdB2. In formule:

PdB~N dB, dB2  , f PdBPdB= 1



La densità di probabilità della potenza in scala lineare si ricava applicando la trasformazione di variabile: P=10 PdB 10 . (1.19) Ricordando che d P d PdB =10 PdB 10 ln10 10 =P ln 10 10 (1.20) si ha f _PP =  P



Le potenze dei pacchetti in arrivo sono state modellate come v.a. IID e sono proporzionali alle rispettive ampiezze di segnale al quadrato Au2. In Fig. 1.15 è

mostrato il passaggio fra le due densità di probabilità con i valori μdB=0, σdB=3 che

saranno adottati nelle simulazioni.

A questo punto è possibile esprimere il segnale ricevuto in questo modo:

r_RFt =ℜ

{

}

dove f0 è la portante di riferimento nel ricevitore e w(t) è il processo di rumore AWGN

avente dsp piatta pari a N0/2 su una banda intorno a f0. rBB(t) è l'inviluppo complesso

del segnale ed è dato da rBBt=

∑

in cui s(t) è il segnale che trasporta il pacchetto u-esimo, e può essere rappresentato come su t =

∑

{

chip di payload dm derivano dallo spreading dei bit di dati e di controllo utili. Dal

momento che in futuro concentreremo l'attenzione solo sul preambolo, lo indichiamo con p(t):

p t= p_Rt  j p_It=

∑

m=0 Npr−1

c_mg_Tt−mT_c (1.25)

e trattiamo il payload come una semplice sequenza casuale di chip, oltre che di bit.

gT(t) è il filtro di trasmissione RRC con roll-off 0.22 ed energia unitaria. Visto che sarà

utile per l'implementazione del simulatore, viene qui di seguito riportata la forma per esteso dell'impulso e la relativa trasformata di Fourier:

g_Tt = 4  t T_c cos



















∫

{





[





]

processo di Poisson di parametro λo pkt/s, dove il pedice sta a ricordare che si tratta di

traffico offerto ma non necessariamente smaltito. Un processo di Poisson è un tipo particolare di processo di conteggio N(t) nel quale la probabilità che si siano verificati

k arrivi sull'intervallo da 0 a t è data da

Pr

{

}

k

k ! e

−ot . (1.28)

I tempi di interarrivo, cioè l'intervallo di tempo fra un arrivo e il successivo, sono v.a. esponenziali IID con densità di probabilità

f t=oe−ot (1.29)

e valor medio fra un arrivo e il successivo

E [t ]= 1

_o . (1.30)

Il processo ha la particolare caratteristica di essere privo di memoria, e questo rende semplice la generazione casuale degli arrivi su calcolatore.

Deve essere evidenziato che le intensità degli arrivi previste in questo tipo di applicazione sono estremamente elevate rispetto ai tradizionali sistemi DS/SS, perchè possono arrivare a 8000 pkt/s e oltre. Ciò deriva da alcune semplici considerazioni, a partire dal fatto che uno spot beam in banda S copre una superficie molto grande, anche delle dimensioni di una intera nazione. Se gli utenti attivi nel singolo spot sono diversi milioni e ciascun terminale invia 100 messaggi giornalieri, le intensità che dovranno verificarsi al Gateway sono proprio dell'ordine di migliaia di pacchetti al secondo. Queste elevate intensità rendono difficile il riconoscimento di un pacchetto, e mettono in crisi le tecniche classiche di rivelazione di preambolo.

La probabilità che si verifichi una collisione può essere valutata riprendendo la (1.12) relativa al caso SAOLC:

P_coll=

∑

Affinchè vi sia collisione devono infatti arrivare almeno due pacchetti in un intervallo

che ha appena inviato il proprio pacchetto (quella che nell'ALOHA puro sarebbe la probabilità di insuccesso 1-Ps) si ha:

P '_coll=

∑

Nella tabella che segue sono riportati alcuni valori di intensità di traffico con le rispettive probabilità appena espresse.

Tab. 1.1 – Alcune intensità di traffico e rispettive probabilità di collisione.

λo (pkt/s) Pcoll P'coll 2000 1.35 10-7 _{5.2 10}-4 4000 5.41 10-7 _{1.04 10}-3 6000 1.22 10-6 _{1.56 10}-3 8000 2.16 10-6 _{2.08 10}-3 10000 3.37 10-6 _{2.6 10}-3