Tecnologia delle reti wireless – II

di Marco Buratto

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Come funziona una rete wireless: dalla modulazione agli standard. Seconda parte: le modulazioni digitali avanzate e gli standard 802.11

Nella prima parte di questo articolo dedicato alle tecnologie delle reti Wireless abbiamo introdotto il concetto di modulazione e fatto una panoramica delle modulazioni analogiche e di quelle digitali. In questa seconda e ultima parte andremo invece ad analizzare le modulazioni a spettro espanso e le tecniche di accesso multiplo per concludere con una panoramica sugli standard Wi-Fi diffusi in abitazioni e uffici.

Le modulazioni digitali avanzate (a spettro espanso)

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

DSSS è una moderna tecnica di modulazione per la quale il segnale digitale contenente l’informazione (segnale modulante) viene modulato (tramite un’avanzata modulazione di fase) con un codice di pseduo-noise, ovvero con un segnale pseudo casuale che ha molte delle caratteristiche del rumore bianco (il rumore bianco è un segnale con densità spettrale di potenza costante, potremmo dire con una forzatura che si tratta di un segnale che "contiene" tutte le frequenze dello spettro).

Il segnale pseudo-casuale, nella fattispecie, è una sequenza binaria ad alta frequenza (quindi ampia banda) di valori che approssima le proprietà dei numeri casuali (distribuzione di probabilità uniforme nel range prestabilito); tali valori sono matematicamente determinati da una parola di bit iniziale, quindi a fronte dello stesso "seme" iniziale si avrà il medesimo segnale pseudo-casuale.

Come conseguenza, si ha un allargamento dello spettro (occupazione del segnale in frequenza) del segnale modulato rispetto al segnale originario modulante (spread spectrum, appunto), ciò implica anche che la potenza del segnale originario viene "dispersa" su un ampio range di frequenze.

Risulta quindi evidente la peculiarità di tale tecnica: la densità spettrale di potenza del segnale trasmesso è praticamente indistinguibile da quella del rumore termico di fondo; se non si conoscesse la sequenza pseudo-casuale con la quale il segnale modulante è stato "codificato", sarebbe difficile anche rilevarne la sola presenza!

In ricezione è quindi ovviamente necessario conoscere il codice di pseudo-noise utilizzato per la trasmissione (definito nello standard 802.11, per quanto ci riguarda ora direttamente) ed esser sincronizzati col trasmettitore al fine di operare una necessaria operazione preliminare di de-spreading.

I principali vantaggi di questa tecnica di modulazione sono l’alta immunità ai disturbi (essendo stato espanso su un insieme più grande di frequenze, la corretta ricezione del tutto diviene più probabile) e la ridotta interferenza con trasmissioni sulla stessa banda di frequenze.

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

Analogamente al Direct Sequence Spread Spectrum, il FHSP è una modulazione di tipo a spettro espanso in cui il segnale digitale contenente l’informazione viene modulato da una portante sinusoidale che varia la sua frequenza secondo una sequenza pseudo-random.

Il trasmettitore è quindi assimilabile ad un "generatore di frequenze" pilotato da valori pseudo-casuali. Senza entrare nel dettaglio, valgono le medesime conclusioni dette per il DSSS.

Multiplexing del canale (tecniche di accesso multiplo)

Quando più sorgenti trasmettono utilizzando il medesimo mezzo trasmissivo (etere, cavo, fibra ottica) si parla di accesso multiplo al canale: in tale caso, per evitare "confusione" tra i diversi segnali, sono necessarie tecniche che permettano a sorgenti e destinatari di comunicare senza interferenze.

Verranno presentati i metodi utilizzati a livello fisico, eccettuate le metodologie usate per le fibre ottiche. Altri metodi di multiplexing del canale vengono utilizzati a livello data link od a livelli superiori.

FDMA (Frequency Division Multiple Access): Accesso Multiplo a Divisione di Frequenza

Grazie alla modulazione in ampiezza, frequenza o fase (intendo sia le modulazioni analogiche che, per ciò che interessa all’Informatica, le loro omologhe nel dominio digitale), le varie sorgenti possono trasmettere contemporaneamente nel dominio del tempo (quindi assieme), ma impiegare diverse bande di frequenza, differenziando la frequenza della portante che modulano: le onde elettromagnetiche a diverse frequenze non interferiscono tra loro e viaggiano "più o meno" alla velocità della luce, indisturbate; si schematizza che lo spettro elettromagnetico sia una combinazione di infinite onde piane uniformi, ciascuna con la sua frequenza.

Ciascun destinatario, al fine di estrarre il segnale, deve eseguire un filtraggio nella banda di interesse, cioè deve "finestrare" un intorno di frequenze attorno alla frequenza della portante di suo interesse.

È come se due persone riuscissero a parlare contemporaneamente ad altrettanti interlocutori e questi fossero in grado di capire, correttamente, il discorso essendo le persone dotate di timbro di voce diverso.

Le applicazioni pratiche più famose sono rappresentate dalle tecnologie usate dalle classiche stazioni radio e televisive; la suddivisione dello spettro delle frequenze operata dallo standard 802.11 serve appunto a questo scopo.

TDMA (Time Division Multiple Access): Accesso Multiplo a Divisione di Tempo

Le sorgenti trasmettono nella medesima banda di frequenze ma in distinti intervalli di tempo. Ciascun destinatario estrae quindi il segnale sulla base di un sincronismo. Trattasi del caso più "educato" nel mondo umano, ma meno usato nel mondo digitale a basso livello: due coppie di persone parlano alternativamente.

CDMA (Code Division Multiple Access): Accesso Multiplo a Divisione di Codice

Grazie alla filosofia adottata, le modulazioni a spettro espanso (usate dallo standard 802.11) possono, da sole, esser usate come tecniche di utilizzo multiplo di un canale trasmissivo (non troppo affollato). La tipologia di multiplexing realizzata viene chiamata CDMA: ad ogni trasmettitore è associato un codice e la trasmissione può esser decodificata solo dal destinatario in possesso del codice, permettendo nel contempo l’esistenza di più trasmissioni sulla stessa banda di frequenze.

È come se due coppie di persone parlassero lingue diverse.