In questa tesi è stato affrontato il problema della sincronizzazione nei sistemi a bassa velocità (o Low Data-Rate) che utilizzano come strato fisico la tecnica di trasmissione UWB IR (Ultra WideBand Impulse Radio). Tali sistemi rientrano nelle specifiche dello standard IEEE 802.15.4a.
I.1 Lo standard IEEE 802.15.4a
Lo IEEE, acronimo di Institute of Electrical and Electronics Engineers, è l’ente che con più di 320.000 membri tra tecnici, ingegneri e ricercatori di 150 nazioni, si occupa tra l’altro di definire e pubblicare standard in vari campi. In particolare IEEE 802 è la famiglia degli standard riguardanti le LAN (Local Area Network) e le MAN (Metropolitan Area Network). Caratteristica di questa famiglia di standard è il fatto che contengono le specifiche per i soli livelli 1 e 2 della pila ISO/OSI , rispettivamente Physical Layer e Data Link Layer. Tra gli standard più conosciuti troviamo:
- 802.3 Ethernet
- 802.11 Wireless LAN (WiFi)
- 802.15 WPAN (Wireless Personal Area Network) - 802.16 Broadband Wireless Access (WiMax)
L’IEEE 802.15, si divide a sua volta in 5 task groups tra i quali ricordiamo: - 802.15.1 WPAN basate su bluetooth
- 802.15.3 WPAN ad alta velocità - 802.15.4 WPAN a bassa velocità
Nel maggio del 2003 è stata definita la prima edizione dello standard 802.15.4 sulla quale si basano i protocolli dellle reti Zig Bee. Di recente, nel giugno del 2006, è uscito l’802.15.4-2006 che apporta miglioramenti al precedente 802.15.4-2003.
A marzo 2005 sono uscite invece le specifiche di base dello standard 802.15.4a, il cui task group fu istituito con lo scopo di trovare un livello fisico alternativo alle WPAN a bassa velocità, che rendesse possibile il connubio tra trasmissione dati e buone capacità di
ranging/localization (accuratezza di circa 1 metro) [1]. Le alternative trovate per la tecnologia di livello fisico sono due:
• UWB IR (operante nella banda non licenziata UWB)
• Chirp Spread Spectrum (operante nella banda non licenziata a 2,4 GHz)
Tra queste solo l’UWB conferisce ai sistemi conformi sia capacità trasmissive che una spiccata risoluzione radar, ed è per questo oggetto di maggiore interesse [2].
I.2 I sistemi UWB Impulse Radio
I sistemi UWB sono quindi al centro della tesi. Col termine ultra wideband (banda ultra larga) ci si riferisce ad una tecnologia sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante l’utilizzo d’impulsi di energia a radiofrequenza di durata estremamente ridotta (da poche decine di picosecondi a qualche nanosecondo). La forma d’onda risultante ha una banda frequenziale estremamente larga, da cui il nome UWB dato a questa tecnologia. Più correttamente, secondo la definizione della FCC (Federal Communications Commission), si definisce ultra wideband un sistema di radiocomunicazione che ha una banda assoluta(a -10 dB) di almeno 500 MHzo una banda relativa (1) maggiore del 25 % .
Data l’occupazione spettrale dei sistemi UWB, la FCC, in un documento del 22 aprile 2002 [3], ha posto dei vincoli ben precisi alla massima potenza emessa da un sistema conforme, in modo da limitare le interferenze con altri dispositivi operanti alle stesse frequenze. In figura I-1 è mostrata la maschera di emissione per ambienti indoor.
(1)
I limiti imposti fanno si che di fatto i sistemi UWB vengano generalmente allocati nella banda 3.1÷10.6 GHz, dove il valore di EIRP consentito è quello massimo ( -41.3 dBm/MHz ) pur rimanendo alquanto basso. Risulta evidente come la combinazione di una banda molto larga e di una potenza emessa piuttosto ridotta diano luogo a segnali trasmessi con una densità spettrale di potenza molto bassa. Questa caratteristica ha alcuni vantaggi:
• le comunicazioni sono difficilmente intercettabili perché il segnale UWB ha un’intensità simile al rumore di fondo;
• l’interferenza di un segnale UWB sui sistemi a banda stretta operanti nella stessa banda è praticamente nulla;
• i dispositivi che si realizzano hanno un consumo energetico ridotto.
Una sostanziale differenza tra un sistema di trasmissione radio tradizionale ed un sistema di trasmissione UWB IR è che nel sistema tradizionale l’informazione viene trasmessa variando ampiezza e/o frequenza e/o fase di una portante sinusoidale. Nei sistemi UWB IR si ha invece l’invio di un treno d’impulsi ciascuno dei quali occupa tutta la banda possibile, per cui non sono necessarie tecniche di espansione spettrale per ottenere le caratteristiche di banda larga suddette [4]. L’informazione viene trasmessa andando a modulare opportunamente gli impulsi (o loro gruppi detti burst) secondo tecniche di modulazione comuni tra cui le più usate sono:
1) PAM (Pulse Amplitude Modulation) (figura I.2)
l’informazione viene trasmessa variando l’ampiezza degli impulsi (o dei burst d’impulsi) trasmessi;
2) PPM (Pulse Position Modulation)
l’informazione viene trasmessa variando la posizione degli impulsi (o dei burst d’impulsi) trasmessi. Nei capitoli successivi ci occuperemo in dettaglio della 2-PPM (o BPPM - Binary PPM).
E’ inoltre possibile aumentare la quantità d’informazione portata da un singolo impulso (o da un burst) andandone a variare ad esempio la polarità oppure sfruttando tecniche di ortogonalizzazione degli impulsi trasmessi.
A seconda delle applicazioni, gli impulsi UWB possono essere inviati in maniera sporadica, ottenendo modulazioni a basso data-rate, oppure possono essere inviati fino ad una frequenza massima pari all’inverso della durata dell’impulso, ottenendo così modulazioni ad elevato data-rate. La differenza sta nelle distanze che si riescono a coprire nei due casi, che risultano limitate a causa dei fenomeni di propagazione multipath che danno luogo ad interferenza intersimbolica tanto maggiore quanto più elevata è la velocità trasmissiva. Per limitare l’interferenza occorre ridurre il raggio di copertura del segnale.
Sono molte le applicazioni che utilizzano la tecnologia UWB IR. Tra queste troviamo ad esempio i sistemi radar che utilizzano impulsi UWB e tendono ad avere basse PRF (Pulse Repetition Frequencies), tipicamente nel range 1÷100 Mpulses/s, in modo da aumentare la portata. Invece i sistemi di comunicazione favoriscono le elevate PRF in modo da aumentare la quantità d’informazione al secondo che viene trasferita. In entrambi i casi comunque, l’utilizzo della tecnologia UWB apporta notevoli vantaggi. Nelle applicazioni radar si riesce ad avere risoluzioni molto spinte grazie al fatto che gli impulsi utilizzati hanno una durata brevissima (con impulsi di durata pari a 1 ns è possibile distinguere gli echi provenienti da percorsi distanti almeno 30 cm). Inoltre la possibilità di trasmettere su una banda che parte da frequenze molto basse fa si che i radar UWB abbiano maggiori proprietà di penetrazione nei materiali, e siano quindi preferibili in certe applicazioni.
Riguardo ai sistemi di comunicazione, lo stesso fatto di avere impulsi di breve durata conferisce una certa immunità dai fenomeni di propagazione multipath. Infatti se è vero che percorsi distanti già 30 cm danno origine ad echi non sovrapposti, allora non si ha interferenza distruttiva al ricevitore, e quindi i fenomeni di fading risultano essere molto attenuati. In teoria è perciò possibile utilizzare un tipo di ricevitore coerente, detto ricevitore Rake, che sfrutta un banco di correlatori in parallelo, ciascuno adattato ad una particolare eco del segnale, le cui uscite sono combinate secondo il criterio del massimo rapporto segnale-rumore [5]. Tale ricevitore risulta però molto complesso da implementare poiché presuppone la stima dei parametri di canale (valore dei ritardi, delle ampiezze, forma degli impulsi ricevuti) ed in pratica non è utilizzabile. Inoltre poiché ogni correlatore è adattato ad un singolo impulso, è necessaria un’accuratissima sincronizzazione, altrimenti errori di sincronismo di pochi picosecondi possono compromettere le prestazioni del ricevitore. L’alternativa è quella di utilizzare ricevitori subottimi che, ad esempio, trascurino le eventuali distorsioni introdotte dal
canale sugli impulsi trasmessi, oppure che prendano in considerazione soltanto un certo numero di cammini invece che tutti [6]. Se da un lato si ha il vantaggio di un ricevitore a minore complessità, dall’altro si hanno delle perdite di efficienza energetica, poiché bisognerà lavorare a rapporti segnale-rumore più alti rispetto al caso ottimo per raggiungere le stesse prestazioni in termini di BER (Bit Error Rate). E’ per questo che negli ultimi anni sono stati sviluppati nuovi tipi di ricevitori, tra cui ricevitori non coerenti detti a cattura di energia, che hanno il vantaggio di non richiedere una sincronizzazione troppo precisa e soprattutto non hanno bisogno della stima dei parametri del canale. Nonostante ciò riescono ad ottenere prestazioni paragonabili a quelle del ricevitore coerente ottimo [7]. L’unica accortezza da usare è quella di dimensionare opportunamente il segnale trasmesso in maniera tale da non causare fenomeni d’interferenza intersimbolica, ossia bisogna fare in modo che la distanza temporale fra gli impulsi trasmessi risulti inferiore al massimo ritardo introdotto dal canale. Un ricevitore con queste caratteristiche è previsto dallo standard IEEE 802.15.4a ed è quello considerato nella tesi, la quale affronta il problema del sincronismo a livello di bit per la corretta rivelazione dati. In base alla struttura del ricevitore, la precisione con cui si deve stimare l’inizio del bit non è così spinta come nei ricevitori coerenti. Inoltre, per risolvere il problema della deriva tra gli oscillatori del trasmettitore e del ricevitore, nella tesi si analizza anche un algoritmo di tracking per l’aggiornamento della stima.
I.3 Contenuto della tesi
La tesi è articolata nel seguente modo. Nel primo capitolo vengono descritti il formato di segnalazione previsto dallo standard IEEE 802.15.4a ed il modello di canale utilizzato. Il capitolo 2 contiene la descrizione dell’algoritmo di stima che permette una prima grossolana sincronizzazione. Il capitolo 3 descrive invece l’algoritmo di tracking, basato sul metodo Early-Late-Gate, che è utile per raffinare la stima precedente. Il capitolo 4 è poi dedicato agli aspetti legati alla realizzabilità degli algoritmi proposti e agli aspetti simulativi della tesi. Inoltre contiene anche i grafici delle prestazioni del sistema. Da ultimo viene proposta un’appendice software, contenente i codici dei principali programmi sviluppati ed utilizzati per la simulazione degli algoritmi e la valutazione delle prestazioni.
