Da "Micro & Personal Computer" - Rubrica "PC & Radio"- Gennaio 1996
GSM e conflitti generazionali (terza parte)
Puntata speciale per festeggiare i tre anni della rubrica, nata nel gennaio 1993. Anche per questo avremo un po' più di carne al fuoco; oltre alla conclusione della parte dedicata alla telefonia cellulare, altre novità riguardano la missione Galileo e la Conferenza Mondiale delle Telecomunicazioni, conclusasi a Ginevra il mese scorso con risultati interessanti.
di Mario Chisari IW0CDT
Dopo aver fatto conoscenza "da vicino" con TDMA e FDMA, siamo finalmente arrivati alla terza, e più futuribile, tecnologia di multiplazione, quella che si sta solo adesso iniziando a sperimentare anche nel settore della telefonia cellulare.
Prima, però, un piccolo "distinguo": si sente sempre più spesso associare le due sigle TDMA e FDMA, come TDMA/FDMA. Si tratta in pratica di una piccola precisazione, in particolare dello schema GSM; esso non è altro che un sistema digitale, a multiplazione di tempo, ma che non utilizza un unico canale a banda larghissima per tutte le stazioni, ma bensì più canali di larghezza inferiore, come suggerisce anche la figura numero 2 pubblicata la scorsa volta.
La ragione di questo è principalmente la riduzione dell'overhead. Ogni stazione, infatti, utilizza una propria finestra temporale, la cui durata dipende certo dal tempo necessario all'invio dei dati, a cui bisogna però sommare il tempo per la risincronizzazione, per gli eventuali ritardi di propagazione, ed un margine d'errore. Se un canale ospita troppe trasmittenti, il tempo necessario a queste operazioni (l'overhead, appunto) rischia di superare quello effettivamente impiegato per la trasmissione dei dati stessi. Esiste quindi un numero ottimale di stazioni per canale, superato il quale l'efficienza scende, mentre continua ad aumentare il costo del codificatore digitale ad altissima velocità.
CDMA: ULTIMA FRONTIERA...
Fatta questa precisazione, passiamo ad analizzare le caratteristiche della tecnologia CDMA. In questo tipo di multiplazione, in pratica non si ha più una divisione in canali, o in finestre temporali; bensì, ogni stazione emette i suoi dati, sotto forma di un "pacchetto", appponendovi un'etichetta, una sorta di "busta" postale con mittente e destinatario, e immettendola nel canale dove operano tutte le altre stazioni. (fig. 1)
La stazione ricevente, ottenuto il pacchetto a lei diretto, non fa altro che verificarne la destinazione, instradandolo sul canale telefonico corrispondente.
Un primo vantaggio è che non si ha bisogno di trasmettere continuamente dati senza bisogno, lasciando spazio per le altre stazioni e risparmiando energia. Questo è molto utile per applicare un altro tipo di ottimizzazione; quando discorriamo, infatti, parliamo per un po', poi facciamo una pausa per ascoltare la risposta o per pensare, e poi riprendiamo a parlare. Da studi statistici risulta che mediamente la durata di un'emissione vocale (talk spurt) è di 1.5 secondi, contro una durata di una pausa di 2.25 secondi. Non è certo possibile sfruttare questa osservazione per ottimizzare una singola comunicazione; ma se ne prendiamo in considerazione un insieme di decine o centinaia, in ogni istante è altamente probabile che almeno il 50% delle persone in comunicazione siano silenziose. In termini della singola comunicazione, vedetela così: un interlocutore sta finendo di parlare, e la sua stazione trasmittente invia l'ultimo pacchetto con il parlato, quindi libera il canale per un'altra. Quando il suo interlocutore riprende a parlare, essa cerca un altro canale libero, e riprende la trasmissione dei dati. Poiché le comunicazioni in corso sono moltissime, è altamente probabile che nel frattempo qualche altra stazione abbia a sua volta liberato un altro canale. Quella descritta è esattamente la tecnica che va sotto il nome di DSI: Digital Speech Interpolation, o interpolazione digitale del parlato; tecnica nota da anni, e largamente impiegata laddove i canali digitali per la voce sono limitati, come ad esempio nei satelliti per comunicazioni telefoniche. È l'ideale da applicare ad un contesto di multiplazione CDMA.
Qualcuno potrà domandarsi cosa accada se la stazione non riesca a trovare alcun canale libero per inviare i dati vocali; ebbene, essa non farà altro che riprovare altre volte; se avrà successo, ritarderà così l'emissione del pacchetto, e di tutti i successivi fino al termine dell'emissione del parlato. In caso ancora negativo, semplicemente butterà via il pacchetto; in genere la perdita di una piccola parte del discorso non ne pregiudica comunque la comprensibiltà. Ancora una volta richiamo l'attenzione sul fatto che questo vale per la voce, ma non per la trasmissione di dati; pensate che cosa ne sarebbe dei vostri file se qualcuno li trattasse così...
Il problema, semmai, è nelle procedure di allocazione del canale. Nella CDMA "brutale", la trasmittente semplicemente inizia la trasmissione, e se per sfortuna ciò accade contemporaneamente ad un'altra, entrambi i pacchetti vanno persi; sarà quindi necessaria una ritrasmissione. La probabilità che questo accada, per quanto bassa, sale rapidamente con l'aumentare del numero di stazioni; è il limite della CDMA. L'effetto finale della congestione è, come sanno tutti i navigatori di Interenet (una altro tipo di rete CDMA...) il rallentamento del passaggio dei dati, tanto da poter rendere inutilizzabile il telefono.
IMBROGLI CELLULARI
Tanto per darvi un'ulteriore "chicca" sul livello di raffinatezza raggiunto nei telefoni cellulari, vi racconto una loro piccola caratteristica, attinente al campo della psicoacustica. Come avrete avuto occasione di notare, quando parlate in una qualsiasi cornetta telefonica, sentite sempre nell'auricolare un leggero rumore, proveniente dal vostro microfono e da quello dell'interlocutore. Questo rumore non è ineliminabile, ma è addirittura introdotto di proposito, per dare conferma della funzionalità del telefono; parlare in una cornetta "muta" dà l'impressione che sia guasta. Se però utilizzate una tecnica come la DSI, ogni pausa del vostro interlocutore inibirà anche la trasmissione dei rumori di sottofondo che partono dal "suo" lato. Vi trovereste istintivamente a domandare "ci sei ancora?".
Ebbene, in certi telefoni cellulari è incluso un circuito che estrae le caratteristiche del rumore di sottofondo del vostro interlocutore, e ve lo riproduce nell'auricolare per darvi l'impressione del collegamento anche se questo, in quel momento, non c'è!
Si tratta di una sofisticata funzione svolta con tecniche di DSP, e questo vi fa capire quanto ormai un telefono cellulare somigli moltissimo ad un computer, dotato peraltro di una notevole potenza di calcolo...
CDMA: UNA SCHEDA TECNICA
Analizziamo ora le caratteristiche della CDMA con lo stesso schema utilizzato per le tecniche viste finora. Occorre precisare che, a differenza di queste, la CDMA è un'assolutà novità nel campo della telefonia cellulare. Per questo, con l'evolversi delle tecniche alcuni aspetti potrebbero cambiare di peso. Questo è quanto è successo, come vedremo, nella PRMA, uno speciale schema di CDMA. L'unico standard CDMA via radio ben noto ed assestato è il Packet Radio, a cui si riferiranno, fatte le dovute correzioni, queste note. Ecco dunque le caratteristiche della CDMA.
- Richiede un'agilità in frequenza paragonabile, o possibilmente superiore, a quella della TDMA;
- Ancora più circuiti su un solo canale: la CDMA permette di far convivere su un unico canale, a parità di altre condizioni, ancora più connessioni vocali della TDMA, tipicamente il doppio. Tale numero non è rigidamente limitato, ma un sovraffolamento causa un progressivo deterioramento della qualità della connessione.
- Trasmissione "burst"; come nella TDMA. Ogni stazione trasmette solo per una frazione del tempo, con intervalli casuali. Si tratta del punto di forza della CDMA. Questo comporta, oltre al risparmio di batterie, anche lo sfruttamento ottimale e la possibilità di riuso delle frequenze nei momenti di silenzio, e la possibilità di alte velocità quando il canale è libero, permettendo la convivenza di trasmissioni audio, dati, e perfino video, sullo stesso canale;
- Trame di trasmissione e ricezione scalate; anche qui si può impiegare un collegamento simplex, o half-duplex, per ottenere un "full-duplex apparente" nelle comunicazioni vocali.
- Larghezza del canale analoga alla TDMA, con le stesse considerazioni;
- "Overhead" maggiore che nel caso della TDMA, sia a causa della necessità di aggiungere "etichette" ai pacchetti di dati indicanti sorgente e destinazione; sia per le inevitabili collisioni dovuto ad impegno simultaneo del canale. Quest'ultimo è il punto debole della CDMA; per fortuna, nel caso di comunicazioni cellulari, è stato brillantemente contrastato con la tecnica PRMA, che vedremo nella prossima puntata.
- "Hand-over" analogo alla TDMA, con segnalazioni e scambio di dati totalmente trasparenti all'utente. Anche qui il terminale portatile ha, tra una trasmissione e una ricezione, il tempo per cercare un canale meno disturbato e spostarvisi. La gestione, però, è più complessa per la stazione base.
- Architettura estremamente flessibile, interamente controllata da software, che necessita di modifiche hardware sono in caso di cambiamenti strutturali.
- Assoluta flessibilità di servizi: già virtualmente predisposta alla trasmissione di dati di ogni tipo ed a qualsiasi velocità, purché compresa nella massima velocità del canale.
La CDMA appare quindi come il sistema del futuro, ed anche alle sue piccole ombre sono state trovate soluzioni non troppe dispendiose. Ma ne parleremo la prossima volta.
Le immagini non sono più disponibili... Mi dispiace!
Fig. 1 - Un esempio di impiego di un canale CDMA. Come si vede, ogni pacchetto di dati porta l'indicazione di mittente e destinatario, e non ha vincoli temporali precisi.
La sonda atmosferica "Galileo" sbarca su Giove
Dopo un viaggio di sei anni, riflettori puntati, il 7 dicembre scorso, sulla sonda atmosferica Galileo, che in una difficile discesa sul pianeta gigante ha trasmesso una gran quantità di informazioni utili a tutti gli scienziati del mondo.
di Mario Chisari
Il più famoso scienziato del medioevo sarebbe sicuramente stato commosso nell’apprendere che la sonda spaziale che porta il suo nome ha stabilito un nuovo primato nel campo astronautico.
Come sempre, il mondo radioamatoriale ha seguito col fiato sospeso questa incredibile impresa, partita il lontano 18 ottobre 1989. Per percorrere l'enorme distanza che separa la Terra da Giove, il veicolo spaziale composto dalle due sonde aveva sfiorato prima Venere (di cui ha trasmesso alcune osservazioni), poi nuovamente la Terra, sfruttando di entrambi l'effetto "fionda" : grazie ad esso, una frazione infinitesima dell'energia del pianeta viene trasferita al veicolo spaziale, accelerandolo senza consumo di carburante.
La missione Galileo comprende due sonde: la prima, quella orbitante, dotata di razzi e strumenti scientifici, in grado di effettuare osservazioni spaziali, ne ospita una seconda, una sonda atmosferica che si è tuffata nell'atmosfera gioviana, trasmettendo per un'ora informazioni sul pianeta gigante e, per certi versi, ancora misterioso; il 7 dicembre è stato il breve momento di gloria di quest'ultima. Ma la sonda orbitale, oltre a raccogliere e immagazzinare i dati raccolti dalla seconda, per poi trasmetterli con tutta calma sulla Terra, continuerà a esaminare Giove e i suoi satelliti ancora a lungo.
Il giorno 13 luglio 1995 la sonda atmosferica si è separata da quella orbitale che l'aveva trasportata per quasi sei anni. Alla distanza di 81 milioni di Km da Giove e con una velocità relativa di 20,448 Km orari, essa è stata portata in rotazione a 10.5 giri al minuto, allineandola esattamente con la direzione prevista, e rilasciata in direzione del pianeta. È un'operazione estremamente critica: un errore di 1.5 gradi verso il pianeta, e la discesa sarebbe stata talmente veloce da bruciarla immediatamente; 1.5 gradi verso lo spazio, e l'avrebbe completamente mancato. Essa, infatti, non era dotata di motori per la correzione.
La segnalazione che la sonda orbitale riceveva regolarmente i segnali di quella atmosferica è giunta sulla Terra alle 23:10 GMT del 7 dicembre (0:10 ora italiana), mentre la conferma del successo completo è giunta alle ore 2:07 GMT dell'8, al termine dell'immissione in orbita. La NASA aveva predisposto una serie di siti su Internet per permettere ai curiosi di seguire praticamente "in diretta" l'evento; ma l'affollamento è stato talmente grande che le linee sono rimaste intasate, e mezza Europa è rimasta tagliata fuori. Meglio dunque il Packet Radio, lento ma, tutto sommato, funzionante...
La sonda orbitale dispone a bordo di una memoria per 45 minuti di dati, più un registratore, con elaborazione successiva, per 75 minuti di trasmissione. Una durata maggiore era impossibile, poiché dopo tale termine la sonda, che seguiva a ruota quella atmosferica, doveva comunque interrompere la ricezione per iniziare le manovre di inserzione in orbita. Qualche apprensione era nata quando, ad un test in volo qualche mese fa, si era evidenziato un lieve malfunzionamento del registratore; per fortuna gli scienziati della NASA hanno potuto aggirare il problema.
Vediamo dunque le tappe che hanno portato alla esaltante corsa suicida della sonda atmosferica.
Il 7 dicembre, sei ore prima dell'ingresso nell'atmosfera, la sonda "figlia" si risveglia grazie al temporizzatore interno; esiste a bordo anche un sistema di sicurezza, sensibile all'accelerazione. Inizia il riscaldamento di tutti gli strumenti. La distanza da Giove è di 600.000 Km (più del doppio della distanza dalla Terra alla Luna), la velocità rispetto al pianeta di 76.700 Km/h.
Tre ore dopo, le prime misurazioni, per raccogliere dati sulle particelle cariche all'interno delle fasce magnetiche. Le misure si ripetono ogni 20 minuti circa. La distanza è di 360.000 Km, la velocità di 97.200 Km/h.
L'ingresso nell'atmosfera è il momento "E", alle ore 22:04 GMT. La quota è di 450 Km (la quota zero è considerata quella a cui la pressione è uguale alla nostra al livello del mare), la velocità di 170.700 Km/ h; l'angolo di incidenza è di 8,3° sotto l'orizzonte, la latitudine di 6,5° nord.
E + 56 secondi: il momento di massimo stress meccanico. La sonda ed il suo contenuto sono sottoposti ad una decelerazione di ben 230 G; la più alta mai sopportata da qualsiasi veicolo spaziale costruito dall'uomo, decine di volte superiore a quella sopportabile dal corpo umano. La velocità è scesa a 99.200 Km/h, la quota è di 100 Km, la pressione di 7 millibar, la temperatura di -117° C.
E + 112 secondi: viene espulso il paracadute pilota, che trascina fuori quello principale. La velocità è di 3.200 Km/h, la pressione di 70 millibar, la quota di 50 Km, la temperatura di -160° C.
Due secondi dopo, l'apertura del paracadute principale; la velocità è di 3.120 Km/h.
E + 122 secondi: il guscio di protezione usato nella decelerazione viene sganciato. La quota è di 48 Km, la velocità di 1.630 Km/h, la pressione di 90 millibar.
E + 126 secondi: inizia la misura strumentale dei dati atmosferici. La velocità è di 1540 Km/h.
E + 135 secondi: parte la trasmissione radio per modulo orbitale, prima dei dati in memoria, poi man mano che vengono raccolti in tempo reale. Per evitare che un singolo guasto possa causare una catastrofica interruzione, tutti i circuiti radio sono duplicati, e le trasmissioni vengono effettuate prima con uno poi con l'altro circuito.
E + 4 minuti (circa): la sonda raggiunge la cima delle nuvole esterne di Giove, quelle che si ritiene siano formate di cristalli di ammoniaca. La quota è di 26 Km, la velocità di 454 Km/h, la pressione di 0.3 bar, la temperatura di -150° C.
E + 8 minuti: la pressione uguaglia quella dell'atmosfera terrestre (1 bar). La temperatura è di -107° C.
E + 13 minuti (ancora da verificare): si raggiunge un secondo probabile strato nuvoloso. La quota è di -13 Km, la temperatura -67° C, la pressione di 2 bar.
E + 24 minuti (ancora da verificare): nuvole di vapor acqueo. La quota è di -57 Km, la pressione 5 bar, la temperatura di 0° C.
E + 30 minuti: la temperatura è simile a quella terrestre (25° C). La quota è di -71 Km, la pressione di 6.7 bar, la velocità di 154 Km/h.
E + 42 minuti: tramonto del Sole sul luogo di ingresso della sonda. La quota è di -100 Km, la pressione di 11.7 bar, la temperatura di +79° C.
E + 60 minuti: fine della "linea base" della missione. La densità dell'atmosfera disturba la trasmissione, gli strumenti sono al limite. La pressione è di 20 bar, la temperatura di +140° C, la velocità di 104 Km/h, la quota di -135 Km.
E + 75 minuti: fine della registrazione da parte del modulo orbitante, che inizia a prepararsi per l'inserzione in orbita. Se la sonda atmosferica fosse sopravvissuta fino a qui, la sua quota sarebbe di -159 Km, la pressione di 28 bar e la temperatura di +185° C.
Tanto per avere un'idea delle condizioni proibitive per le apparecchiature a bordo, ricordo che la componentistica elettronica militare, la migliore in assoluto, è garantita "appena" da -55° a +125° C.
Ad un primo esame della registrazione a bordo del modulo orbitante, risulta che il collegamento radio è durato per almeno 57 minuti. Una prima trasmissione di dati alla Terra è stata effettuata tra i giorni 9 e 14, con qualche errore a causa del fatto che in questo momento Giove si trova dietro al Sole, la cui corona ne disturba i segnali. La trasmissione sarà dunque ripresa alla fine di gennaio, e i dati saranno analizzati fino al mese di maggio.
Complimenti dunque ai tecnici ed agli scienziati della NASA, al genere umano, ed a Galileo...
Riquadro
La conferenza mondiale delle radiocomunicazioni
Si è conclusa il 18 Novembre a Ginevra, dopo quattro settimane di intensi negoziati, la World Radio Conference (WRC-95), patrocinata come sempre dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU). Ad essa hanno partecipato 1233 delegati da 140 nazioni, e 78 rappresentanti ed osservatori di organizzazioni internazionali.
Si tratta di un importantissimo appuntamento per coordinare a livello mondiale l'utilizzo di tutte le radiofrequenze, dai radiogiocattoli alle stazioni televisive mondiali. Lo spettro radio è già completamente allocato, mentre le nuove tecnologie ne richiedono sempre di più; così per fare spazio ai nuovi servizi occorre scegliere tra tre vie: riallocazione da un altro servizio già esistente; aumento dello sfruttamento tramite miglioramento delle tecnologie di modulazione; condivisione dello spettro tra più servizi.
Come nella scorsa edizione, gran parte dei lavori sono stati incentrati sull'allocazione di frequenze per i servizi di telecomunicazioni personali (Personal Communications Services, PCS), che puntano ad offrire servizi di comunicazioni vocali e dati via "big LEO" and "little LEO" (grandi e piccoli satelliti "Low Earth Orbit", ad orbita bassa). Si tratta di un settore estremamente promettente (vedi la presentazione del sistema Iridium, su questo stesso numero), di cui sono stati presentati qualcosa come 250 proposte differenti. Fra questi sistemi c'è quello della Teledesic, una società posseduta da Microsoft e McCaw Cellular, e, tramite quest'ultima, al 24% da AT&T. Essa prevede di offrire una rete dati mondiale per utenze fisse a basso costo, tramite una costellazione di ben 840 satelliti non geostazionari (Fixed Satellite Service, non Geostationary Orbit, abbreviato in "FSS non-GSO"). Per le sue caratteristiche il progetto è stato esaminato separatamente da quelli per stazioni mobili (MSS, Mobile Satellite Services).
Tra le decisioni finali della WRC-95 c'è dunque un aumento della banda di frequenza per i servizi dati via satellite sotto 1 GHz, l'obbigo per gli altri servizi di liberare le bande allocate per i "big LEO" entro il 1 gennaio del 2000, l'allocazione di una fetta di frequenza di 400 MHz in banda 19 e 29 GHz per i servizi FSS (questione Teledesic), e l'aggiunta di altri 400 MHz per gli MSS, condivisi con i satelliti geostazionari.
La prossima edizione del WRC si terrà nel 1997.
