Quali sono le tecniche di accesso multiple?

Le tecniche di accesso multiple costituiscono la spina dorsale dei moderni sistemi di comunicazione wireless e cablata, consentendo a più utenti o dispositivi di condividere una risorsa di comunicazione finita, come una banda di radiofrequenza o una linea di trasmissione cablata, senza interferenze distruttive.

In termini più semplici, una tecnica di accesso multiplo definisce come il mezzo condiviso è diviso tra i contendenti. La divisione può verificarsi nel dominio di frequenza, nel dominio del tempo, nel dominio del codice, nel dominio spaziale, o in qualsiasi sua combinazione. Ogni dominio produce una famiglia distinta di protocolli, dalla classica divisione di frequenza Accesso multiplo (FDMA) alla tecnica di rilascio non ortogonale accesso multiplo (NOMA) utilizzata nella nuova radio 5G.

Tipi di base di tecniche di accesso multipli

Mentre esistono molti metodi di accesso proprietari e ibridi, la maggior parte dei sistemi moderni si affida a una manciata di famiglie ben consolidate.

Divisione frequenza Accesso multiplo (FDMA)

FDMA è il metodo più antico e concettualmente più semplice. La banda di frequenza disponibile è divisa in sotto-bande più strette, ciascuna assegnata ad un singolo utente per la durata di una chiamata o di una sessione. Il trasmettitore dell'utente occupa quella sotto-banda continuamente, mentre i ricevitori utilizzano filtri per isolare il segnale desiderato.

Il vantaggio principale di FDMA è la sua bassa complessità e minima interferenza tra gli utenti quando le bande di guardia sono sufficienti. Tuttavia, soffre di scarsa efficienza spettrale se gli utenti sono inattivo, perché la larghezza di banda assegnata non può essere riutilizzata da altri durante i periodi di silenzio. Inoltre, la pianificazione di frequenza rigorosa è necessaria per evitare interferenze adiacenti-canale, che spreca lo spettro su bande di guardia.

Divisione Tempo Accesso Multiplo (TDMA)

TDMA divide il canale in cornici ripetitive, ciascuna suddivisa in fasce orarie. Ogni utente ottiene una slot esclusiva per trasmettere i propri dati. Questa tecnica è fondamentale per il Global System for Mobile Communications (GSM), sistemi satellitari come Iridium e molti standard di radio industriali. Un telaio TDMA contiene tipicamente una serie di slot, con ogni slot che trasporta una scoppio di dati da un particolare utente.

TDMA migliora l'utilizzo della larghezza di banda rispetto al FDMA puro perché un singolo canale di frequenza può supportare più utenti. semplifica anche la programmazione digitale e consente l'assegnazione flessibile delle durate di slot. Tuttavia, TDMA richiede una stretta sincronizzazione tra tutti gli utenti per evitare trasmissioni sovrapposte e i tempi di protezione tra slot consumano un po' troppo. Quando un utente ha poco da trasmettere, lo slot rimane vuoto, una forma di inefency

Divisione Codice Accesso Multiplo (CDMA)

CDMA rappresenta un cambiamento di paradigma: invece di separare gli utenti in frequenza o nel tempo, consente a tutti gli utenti di trasmettere simultaneamente sulla banda spettrosa completa, ma il segnale di ogni utente viene codificato con un codice di diffusione unico. Nel ricevitore, il segnale desiderato viene recuperato correlando con il codice corrispondente, mentre i segnali con codici diversi appaiono come rumore a basso livello.

I vantaggi principali di CDMA includono la resistenza a dissolvenza multipath, la sicurezza intrinseca (da cui i codici sono pseudo-rapido), e la capacità di supportare le manomissioni morbide. Fornisce anche un naturale degrado grazioso: come più utenti si uniscono, il pavimento del rumore aumenta e ogni rapporto di segnale-rumore dell'utente (SNR) diminuisce lentamente, piuttosto che un limite duro sulla capacità.

Divisione frequenza ortogonale Accesso multiplo (OFDMA)

OFDMA è una versione multi-utente di Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Il canale a banda larga è diviso in molti subcarrieri ortogonali. I sottoset di questi subcarrieri sono assegnati a diversi utenti, spesso adattandosi per intervallo di tempo di trasmissione. Questa tecnica è il nucleo di 4G LTE e 5G NR strati fisici.

OFDMA eccelle nel trattamento della sfumatura selettiva della frequenza: assegnando i subcarriers che sperimentano condizioni favorevoli di canale a ogni utente, il programmatore può raggiungere un throughput quasi ottimale. Supporta anche blocchi di risorse finiti, consentendo allocazione molto efficiente per il traffico irrompente. I costi principali sono la necessità di prefissi ciclici per combattere le interferenze intersymbol, la sensibilità al vettore di frequenza offset, e l'alto medio-patazione.

Divisione spaziale Accesso multiplo (SDMA)

SDMA sfrutta la dimensione spaziale utilizzando il teletrasporto per indirizzare i singoli raggi verso utenti diversi.Gli utenti multipli possono essere serviti sulla stessa risorsa di frequenza temporale fino a quando le loro firme spaziali sono sufficientemente separabili. SDMA è un attivatore chiave per il massiccio MIMO in 5G stazioni di base, dove decine o centinaia di elementi di antenna permettono una messa a fuoco precisa dell'energia.

Il guadagno di capacità da SDMA è moltiplicativo: con una perfetta conoscenza del canale, la somma può aumentare linearmente con il numero di antenne. Tuttavia, SDMA richiede informazioni precise dello stato del canale al trasmettitore (CSIT), che è difficile ottenere ad alta velocità dell'utente.

Fattori che determinano l'efficienza del canale

L'efficienza del canale non è una singola metrica; comprende l'efficienza spettrale (bit al secondo per hertz), l'efficienza energetica (bits per joule), la latenza, l'equità tra gli utenti, e la capacità di supportare diversi modelli di traffico.

  • Granularità delle risorse di larghezza:[[] Le tecniche che permettono l'allocazione delle risorse in grana fine (come i blocchi di risorse di OFDMA) possono servire molti dispositivi IoT a bassa velocità senza sprecare la capacità.
  • Overhead e intervallo di guardia:[ Ogni sistema di accesso multiplo introduce una qualche forma di sovraccarico—guard band in FDMA, tempi di guardia in TDMA, prefissi ciclici in OFDMA, o sincronizzazione del codice in CDMA.
  • Multipath e resilienza sbiadita:[ CDMA e OFDMA sono intrinsecamente robusti contro il multipath, anche se attraverso diversi meccanismi. FDMA e TDMA possono soffrire di profonde dissolvenze attraverso un'intera sotto-banda o slot, che richiedono tecniche di adattamento o diversità di collegamento.
  • Gestione delle interferenze:[] Nelle reti cellulari, le cellule vicine riusino le frequenze. Le tecniche di accesso multiple interagiscono con il coordinamento inter-cellula inter-interferenza (IC).
  • Scalabilità alla connettività massiccia:[ Per gli scenari IoT con milioni di dispositivi, il segnale overhead per la pianificazione (ad esempio, in TDMA) diventa proibitivo. L'accesso casuale e NOMA senza sovvenzioni stanno emergendo per affrontare questo problema.

Realizzazione di Accesso Multiplo per Massima Efficienza: Strategie Pratiche

Nelle reti del mondo reale, nessuna tecnica di accesso multiplo è universalmente ottimale. Gli ingegneri combinano diverse tecniche e li aumentano con algoritmi di pianificazione avanzati per creare un sistema robusto ed efficiente.

Schemi di accesso ibridi

LTE utilizza OFDMA sul downlink e SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) sul uplink per ridurre PAPR. All'interno di OFDMA, i blocchi di risorse sono ulteriormente divisi nel tempo (ogni subframe di 1 ms) e la tecnica di frequenza (12 subcarrieri per blocco), combinando efficacemente FDMA e TDMA.

Attribuzione delle risorse adattive

Un'assegnazione statica delle risorse (ad esempio, bande di frequenza fissa per ogni utente) è altamente inefficiente. I sistemi moderni impiegano programmi dinamici che allocano le risorse di tempo-frequenza-spaziali basate su condizioni di canale istantanee, code di traffico e requisiti di qualità-di-servizio (QoS). Ad esempio, il programmatore LTE aggiorna le assegnazioni di blocchi di risorse ogni 1 ms, utilizzando indicatori di qualità canale indicativi riportati da apparecchiature di N.

Multipoint coordinato (CoMP) e gestione dell'interferenza

Anche il miglior sistema di accesso multiplo non può risolvere inter-cell interferenza da solo. Le tecniche di CoMP coordinano le trasmissioni attraverso più stazioni di base in modo che i segnali dalle celle vicine o rafforzare il segnale desiderato (trasmissione congiunta) o evitare collisioni (evitazione di interferenza). Questo è particolarmente efficace nei sistemi OFDMA, dove le interferenze possono essere allineate nel tempo e nella frequenza.

Condivisione dello spettro e radio cognitiva

In uno spettro non autorizzato (ad esempio Wi-Fi, Bluetooth), vengono utilizzati protocolli basati sulla contention come Carrier Sense Multiple Access con Collision Evitare (CSMA/CA) che non sono tradizionali tecniche di accesso deterministico, ma rientrano sotto l'ombrello della condivisione dei canali. La radio cognitiva estende questa idea permettendo agli utenti secondari di accedere opportunisticamente ai fori dello spettro senza danneggiare gli utenti di una gamma di frequenze globale.

Tecniche di accesso avanzate e future

Mentre le reti wireless si evolvono verso 6G e oltre, i ricercatori stanno esplorando nuovi paradigmi di accesso multipli che spezzano il vincolo ortogonale e spingono ulteriormente l'efficienza.

Accesso multiplo non ortogonale (NOMA)

NOMA permette deliberatamente a più utenti di condividere la stessa risorsa di frequenza temporale con diversi livelli di potenza. Il ricevitore esegue la cancellazione di interferenze successive (SIC) per decodificare il segnale più forte prima, sottrarre e poi decodificare il più debole. Questo può fornire guadagni di capacità significativi, soprattutto negli scenari di cella-centro e celle-edge.

Codice di concessione-Free e Sparse Accesso multiplo (SCMA)

Per le comunicazioni di tipo macchina (mMTC), l'accesso tradizionale basato su sovvenzioni (richiedere una risorsa, in attesa di una sovvenzione, quindi trasmettere) crea troppo in anticipo. I sistemi senza sovvenzioni consentono ai dispositivi di trasmettere i dati immediatamente utilizzando risorse preconfigurate. SCMA è una forma di codice-dominio NOMA dove gli utenti mappano i loro bit su libri di codice radi; il ricevitore utilizza i passaggi di messaggi per separare i segnali sovrapposti.

Tasso di utilizzo Accesso Multiplo (RSMA)

RSMA è una proposta più recente che generalizza l'accesso multiplo convenzionale dividendo il messaggio di ogni utente in parti comuni e private. La parte comune è decodificato da tutti gli utenti, mentre la parte privata è decodificata solo dal destinatario previsto. Questo approccio offre robustezza sotto la conoscenza del canale imperfetta e può esperformare NOMA in scenari delimitati dalle interferenze.

Applicazioni reali nel mondo attraverso le industrie

Le tecniche di accesso multiple non sono limitate ai telefoni cellulari, i loro principi vengono applicati attraverso un ampio spettro di tecnologie, ognuna con obiettivi di ottimizzazione unici.

  • Reti cellulari (4G/5G):[ OFDMA + FDMA + TDMA + SDMA (MIMO massivo). I sistemi ibridi forniscono alta efficienza spettrale, bassa latenza e supporto per l'IoT massiccio.
  • Wi-Fi (IEEE 802.11ax/be): OFDMA è stato introdotto nel Wi-Fi 6 per migliorare l'efficienza nelle distribuzioni dense, sostituendo l'accesso basato sulla contention CSMA/CA più vecchio.
  • Comunicazioni intelligenti:[[ DVB-S2X e DVB-RCS2 usano MF-TDMA (multi-frequency TDMA) per i collegamenti di ritorno, combinando la frequenza e la divisione del tempo.
  • Reti industriali IoT e sensori:[ TSCH (Time-Slotted Channel Hopping) in IEEE 802.15.4e utilizza TDMA combinato con il riempimento di frequenza per l'affidabilità in ambienti industriali difficili. LoRaWAN utilizza l'accesso casuale simile a Aloha con lo spettro di diffusione (chirp, una forma di CDMA).
  • L'astronomia e il radar radio:[ Nelle bande di frequenza condivise, l'accesso multiplo cognitivo assicura che i telescopi radio possano osservare senza interferenze dannose dai segnali di comunicazione.

Conclusioni

L’efficienza dei canali attraverso molteplici tecniche di accesso è una sfida multidimensionale che tocca quasi tutti i livelli di progettazione della rete.Dal classico FDMA e TDMA al sofisticato OFDMA, NOMA e SDMA dei sistemi 5G di oggi, ogni tecnica offre agli operatori unici requisiti di complessità, tolleranza alle interferenze e granulosità delle risorse.

Per ulteriori informazioni, consultare la serie di specifiche 3GPP sulle procedure di livello fisico (TS 38.214 per NR) o gli articoli IEEE Communications Surveys & Tutorials su NOMA e RSMA. Il rapporto ITU-R M.2375-0 sulla fattibilità tecnica di IMT-2020 fornisce anche una panoramica autorevole dei requisiti di accesso multipli per sistemi mobili avanzati.