GSM

Il canale logico viene utilizzato nel multiplex temporale in un canale fisico, che viene classificato in base ai tipi di messaggi trasmessi nel canale fisico. Diversi canali logici vengono utilizzati nella trasmissione di diversi tipi di informazioni tra BS e MS, come la segnalazione o i dati sul traffico. Nel sistema GSM, vengono specificati cinque diversi tipi di sequenze burst per diversi canali logici, che hanno diagrammi tempo-ampiezza diversi come mostrato nei diagrammi.

L’interfaccia aerea GSM dell’interfaccia radio è stata accuratamente testata e contiene alcune funzioni che fanno sì che funzioni molto bene e riduca i costi per i telefoni cellulari. La forma di modulazione utilizzata è facile da generare e consente un funzionamento efficiente degli amplificatori di potenza del portatile, mentre allo stesso tempo è possibile trasmettere dati sufficienti. Di conseguenza, la durata della batteria di alcuni telefoni potrebbe essere estesa a molti giorni.

La sequenza di allenamento aiuta a discriminare i canali radio con la stessa frequenza in modo da aiutare a demodulare i segnali. Tuttavia non esiste una sequenza di training per FB e DB; per SB e AB la sequenza di addestramento è costante, cioè il bit sincrono; per NB ci sono 8 diverse sequenze di allenamento specificate nelle specifiche.

Queste 8 diverse sequenze di allenamento di NB sono numerate da 0 a 7, chiamate numeri di sequenza di allenamento. Assegnando sequenze di allenamento con differenze distinte ai canali della stessa frequenza utilizzati in cellule vicine e che potrebbero interferire tra loro, l’interferenza di co-frequenza può essere evitata in modo efficiente durante la modulazione.

Lo slot è quindi il tempo assegnato a quel particolare utente e il burst GSM è la trasmissione che viene eseguita in quel tempo. Ogni slot GSM e quindi ogni burst GSM impiega 0,577 mS (15/26 mS). Otto di questi periodi di burst sono combinati in un cosiddetto frame TDMA.

Nel contesto delle telecomunicazioni, della codifica dei dati e della trasmissione wireless, il termine Interleaving (in italiano: intercalazione o interlacciamento) si riferisce a una tecnica utilizzata per migliorare l’affidabilità della trasmissione dei dati attraverso canali soggetti a errori. È una procedura fondamentale soprattutto nei sistemi digitali come LTE, 5G, Wi-Fi, DVB-T, e nei CD audio, in quanto consente una migliore protezione contro gli errori a raffica.

Funzionamento dell’interleaving

L’interleaving consiste nel riorganizzare l’ordine dei dati prima della trasmissione in modo che gli errori consecutivi (raffiche di errori) che si verificano sul canale non colpiscano dati consecutivi nel flusso originario. Dopo la ricezione, i dati vengono “disinterleaved” (de-interlacciati), cioè riportati nel loro ordine originale, rendendo più facile la correzione degli errori da parte del decodificatore di correzione.

Esempio semplificato

Supponiamo di voler trasmettere la seguente sequenza di dati:

 A B C D E F G H

L’interleaver la riorganizza così:

 A E B F C G D H

Se durante la trasmissione si verifica un errore a raffica che colpisce ad esempio i simboli “B F C”, l’effetto sull’ordine originale dei dati sarà più disperso, facilitando il compito dell’algoritmo di correzione degli errori.

Motivazione tecnica

I canali wireless reali introducono spesso errori concentrati in brevi periodi di tempo a causa di disturbi, interferenze o fading. Questo tipo di errore, detto errore a raffica, è più difficile da correggere se colpisce simboli contigui. L’interleaving distribuisce tali errori su più blocchi, aumentando l’efficacia degli algoritmi di correzione come i codici convoluzionali o i codici di blocco (es. Turbo o LDPC).

Tipi di interleaving

• Block Interleaver: suddivide i dati in blocchi e li riorganizza secondo uno schema predefinito a righe e colonne.
• Convolutional Interleaver: utilizza una serie di registri a ritardo per introdurre una sequenza di ritardi progressivi nei dati trasmessi.

Vantaggi

• Riduzione dell’impatto degli errori a raffica
• Maggiore efficacia della correzione d’errore
• Migliore affidabilità in ambienti ostili (es. fading multipath o trasmissione via satellite)

Limiti e considerazioni

• Introduce latenza perché i dati devono essere raccolti prima di essere riorganizzati
• Può aumentare la complessità del sistema
• La dimensione dell’interleaver deve essere scelta attentamente in base al canale e all’applicazione

Applicazioni comuni

Settore	Utilizzo dell’interleaving
Telecomunicazioni (LTE, 5G)	Protezione contro errori su canale radio
Trasmissione TV digitale (DVB)	Miglioramento qualità segnale ricevuto
CD e DVD	Recupero dati danneggiati da graffi
Wi-Fi	Mitigazione interferenze su reti wireless

In sintesi, l’interleaving è una tecnica essenziale per garantire l’affidabilità nella trasmissione dei dati, soprattutto in contesti dove gli errori non sono casuali ma si presentano in raffiche. Grazie a questa tecnica, molti sistemi di comunicazione moderni possono offrire alte prestazioni anche in ambienti difficili e soggetti a interferenze.

Frequency Hopping: Funzionamento e Applicazioni nei Sistemi di Comunicazione

Il “Frequency Hopping”, conosciuto in italiano come salto di frequenza, è una tecnica avanzata di modulazione e accesso al canale, impiegata principalmente nei sistemi di comunicazione wireless per migliorare l’affidabilità, la sicurezza e la resistenza alle interferenze.

Questa tecnica consiste nel cambiare rapidamente e in modo pseudo-casuale la frequenza portante di trasmissione durante una sessione di comunicazione. L’obiettivo è evitare che il segnale rimanga esposto troppo a lungo su una singola frequenza, dove potrebbe essere soggetto a disturbi, intercettazioni o interferenze da parte di altri dispositivi.

Come funziona il Frequency Hopping?

Il sistema trasmettitore e ricevitore devono essere perfettamente sincronizzati e condividere la stessa sequenza di salto di frequenza. Questo pattern di salto è generato da un algoritmo deterministico, basato su chiavi condivise o numeri pseudocasuali.

Durante la comunicazione, i dati vengono suddivisi in pacchetti che vengono trasmessi uno dopo l’altro, ognuno su una diversa frequenza. La sequenza di frequenze può essere predefinita o calcolata dinamicamente, ma è sempre sincronizzata tra i due dispositivi.

La trasmissione su una frequenza dura solo per una breve durata, chiamata “dwell time”, dopodiché il sistema salta a una nuova frequenza. Questo meccanismo può essere ripetuto centinaia o migliaia di volte al secondo.

Tipi di Frequency Hopping

Tipo	Descrizione
Fast Frequency Hopping	Il salto di frequenza avviene più frequentemente della velocità di trasmissione del simbolo.
Slow Frequency Hopping	Ogni frequenza viene utilizzata per più simboli prima di passare alla successiva.

La scelta tra fast e slow hopping dipende dall’applicazione, dalla larghezza di banda disponibile e dalla robustezza desiderata contro interferenze o intercettazioni.

Vantaggi del Frequency Hopping

• Robustezza contro le interferenze: Se una frequenza è disturbata, il salto frequente riduce l’impatto globale sulla trasmissione.
• Maggiore sicurezza: Il pattern di salto rende difficile l’intercettazione o il jamming del segnale senza conoscere l’algoritmo.
• Condivisione dello spettro: Più utenti possono condividere la stessa banda senza interferenze costanti.
• Minore sensibilità al fading selettivo: Il segnale si muove su diverse frequenze, minimizzando gli effetti del fading multipath.

Applicazioni del Frequency Hopping

La tecnica è ampiamente utilizzata in diversi standard di comunicazione, tra cui:

• Bluetooth: Utilizza Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) per operare nella banda ISM a 2.4 GHz.
• GSM: Implementa il frequency hopping per mitigare gli effetti di interferenza co-canale e migliorare la qualità del segnale.
• Sistemi militari: Il salto di frequenza rende più difficile l’intercettazione da parte di terzi e migliora la sicurezza.
• RFID: Alcuni dispositivi a radiofrequenza usano FHSS per operare in ambienti affollati di segnali RF.

Domande e risposte correlate

Perché il frequency hopping è importante nel GSM?

Nel GSM, aiuta a ridurre le interferenze tra celle adiacenti, aumentando la qualità del servizio, specialmente nelle aree urbane ad alta densità.

Qual è la differenza tra FHSS e DSSS?

FHSS salta tra frequenze, mentre DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) diffonde il segnale su una banda più ampia usando codici pseudo-casuali. Entrambe sono tecniche di spread spectrum ma con approcci diversi.

Il frequency hopping può essere usato nel 5G?

Nel 5G, sebbene non sia una tecnica principale come in Bluetooth o GSM, approcci simili di diversificazione di frequenza sono impiegati per migliorare robustezza e gestione dello spettro.

Il salto di frequenza aumenta la larghezza di banda necessaria?

Non necessariamente. La larghezza di banda usata è condivisa dinamicamente tra le varie frequenze, ma la banda totale deve supportare tutte le frequenze del pattern.

Il frequency hopping rappresenta una strategia intelligente e dinamica per la gestione delle frequenze nei sistemi wireless, combinando efficienza, sicurezza e resistenza contro le problematiche tipiche dei canali radio.

Per migliorare la protezione dagli errori e la sicurezza dei dati, i dati sono interleaved e il loro tipo è diagonale, controlliamo come funziona.

Il diagramma seguente illustra, in forma semplificata, l’interlacciamento diagonale applicato a un canale dati a 9,6 kbit/s.

Il diagramma mostra una sequenza di “blocchi di dati” dopo il processo di codifica precedentemente descritto, tutti provenienti dallo stesso abbonato. Ogni blocco contiene 456 bit, questi blocchi sono divisi in quattro blocchi contenenti ciascuno 114 bit. Questi blocchi vengono poi intercalati insieme.

I primi 6 bit del primo blocco vengono inseriti nel primo burst. I primi 6 bit del secondo blocco verranno inseriti nel secondo burst e così via. Ogni blocco da 114 bit è distribuito su 19 burst e il blocco totale di 456 bit sarà distribuito su 22 burst.

Si dice che i canali dati abbiano una profondità di interleaving di 22, anche se a volte viene chiamata anche profondità di interleaving di 19.

Dati di trasmissione

I bit di dati vengono distribuiti su un gran numero di burst per garantire la protezione dei dati. Pertanto, se si perde un burst, solo una piccola quantità di dati di un blocco di dati andrà persa. Grazie ai meccanismi di protezione dagli errori utilizzati, i dati persi possono essere riprodotti nel ricevitore.

Questa ampia profondità di interlacciamento, pur fornendo un’elevata resilienza agli errori, introduce un ritardo temporale nella trasmissione dei dati. Se la trasmissione dei dati è leggermente ritardata, ciò non influirà sulla qualità della ricezione, mentre nel caso della fonia, se venisse introdotto un ritardo, questo potrebbe essere rilevato dall’abbonato. Questo è il motivo per cui il parlato utilizza una profondità di interlacciamento più breve.

Come All Channel Interleaving nel GSM ma il canale di controllo è un po’ diverso, il suo interleaving rettangolare consente di capire come funziona.

Lo schema seguente illustra, in forma semplificata, il principio dell’interleaving rettangolare. Questo viene applicato alla maggior parte dei canali di controllo.

Il diagramma mostra una sequenza di “blocchi di controllo” dopo il processo di codifica. Ogni blocco contiene 456 bit, questi blocchi vengono poi divisi in quattro blocchi contenenti ciascuno 114 bit. Ogni blocco conterrà solo bit per posizioni pari o dispari. Il burst GSM verrà prodotto utilizzando questi blocchi di controllo.

Controllo della trasmissione

Ogni burst verrà trasmesso nella finestra temporale designata di quattro frame TDMA consecutivi, fornendo la profondità di interleaving di quattro.

Le informazioni di controllo non sono interlacciate diagonalmente come lo sono il parlato e i dati. Questo perché per ogni multiframe viene inviata solo una quantità limitata di informazioni di controllo. Se le informazioni di controllo fossero interlacciate diagonalmente, il ricevitore non sarebbe in grado di decodificare un messaggio di controllo finché non fossero stati ricevuti almeno due ultraframe. Questo sarebbe un ritardo troppo lungo.

La definizione di interleaving è semplicemente codificare un canale logico per la protezione dagli errori e la sicurezza. Capiamo come funziona l’interleaving in GSM.

Dopo aver codificato o protetto dagli errori il canale logico, il passo successivo è costruire il suo flusso di bit in burst che possono poi essere trasmessi all’interno della struttura del frame TDMA. È in questa fase che viene eseguito il processo di interlacciamento. L’interleaving distribuisce il contenuto di un blocco di traffico su diverse fasce orarie TDMA.

Vengono utilizzate le seguenti profondità di interlacciamento:

Discorso – 8 blocchi

Controllo – 4 blocchi

Dati – 22 blocchi

Questo processo è importante, poiché salvaguarda i dati nel difficile ambiente radio dell’interfaccia aerea. A causa di interferenze, rumore o interruzione fisica del percorso radio, i burst possono essere distrutti o danneggiati mentre viaggiano tra MS e BTS, una cifra del 10–20% è abbastanza normale.

Lo scopo dell’interleaving è garantire che solo una parte dei dati di ciascun blocco di traffico sia contenuta in ciascun burst. In questo modo, quando un burst non viene ricevuto correttamente, la perdita non influisce sulla qualità complessiva della trasmissione poiché le tecniche di correzione degli errori sono in grado di eseguire l’interpolazione per i dati mancanti. Se il sistema funzionasse semplicemente con un blocco di traffico per burst, non sarebbe in grado di farlo e la qualità della trasmissione ne risentirebbe.

L’interleaving è in gran parte responsabile della robustezza dell’interfaccia aerea GSM, consentendole di resistere a rumori e interferenze significativi e di mantenere la qualità del servizio offerto all’abbonato.

Esistono due tipi di Interleaving nel GSM Interleaving Diagonale e Interleaving Rettangolare. Da cui l’interlacciamento diagonale utilizzato nell’interlacciamento vocale e nell’interlacciamento dei dati e l’interlacciamento rettangolare utilizzato per l’interlacciamento di controllo.