Trasmissione di un segnale LTE su collegamento ottico analogico

1. Capitolo introduttivo
1.1 Sistemi “Radio over Fiber”
Caratteristiche generali
Con il termine Radio over Fiber (RoF) si indica la tecnologia usata per la trasmissione di un 
segnale radio su un collegamento in fibra ottica attraverso la modulazione della radiazione emessa 
da un diodo Laser. Anche se la trasmissione  del segnale radio su fibra viene utilizzata per diversi 
scopi, come ad esempio nella televisione via cavo (CATV), nelle reti cellulari e nelle stazioni di 
base satellitari, il termine RoF è di solito applicato quando la trasmissione è effettuata per garantire 
un accesso wireless al segnale nei sistemi mobili cellulari.
Nei sistemi RoF i segnali radio sono trasportati in forma ottica tra una stazione centrale trasmittente 
detta Base Trasmission Station (BTS) e una serie  di destinazioni, comunemente note come RAU 
(Remote Antenna Unit) o RS (Remote station), prima di essere irradiati verso i dispositivi mobili 
che si trovano all'interno dell'area servita dalla RS.
Figura 1.1 – Sistema Radio over Fiber (RoF)
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Architetture
I sistemi di trasmissione RoF sono generalmente classificati in due categorie principali a seconda 
del campo di frequenza del segnale trasportato: sistemi RoF a RF (Radio Frequency) e sistemi RoF 
a IF (Intedermediate Frequency)
a) Architettura RoF a Radio Frequency 
Il segnale dati ad alte frequenze (generalmente superiori a 10 Ghz) viene modulato ed è 
successivamente  trasportato sul collegamento ottico fino alle RS . Quindi il segnali è distribuito per 
via ottica alle stazioni base direttamente ad alte frequenze e convertito  poi dal dominio ottico a 
quello elettrico sulle stesse RS, prima di essere amplificato e irradiato da un'antenna. Come risultato 
nelle diverse stazioni di base non è richiesta nessuna conversione di frequenza in salita  ottenendo in 
tal modo un implementazione delle BS semplice e piuttosto conveniente
b) Architettura RoF a Intermediate Frequency 
Il segnale, generalmente  a frequenze superiori ai GHZ, è trasmesso sul collegamento ottico a 
frequenze intermedie. Pertanto, prima della trasmissione wireless verso i dispositivi mobili, il 
segnale deve essere convertito a RF nell'antenna remota.
Vantaggi
L'uso della tecnologia RoF si è ampiamente sviluppato negli ultimi anni per una serie di indubbi 
vantaggi che ne derivano: basso costo delle trasmissione, bassa complessità, ecc....
a)Bassa attenuazione 
I segnali trasmessi su fibra ottica subiscono  generalmente un attenuazione con la distanza inferiore 
a quella di altri mezzi trasmissivi, soprattutto se confrontati con un trasmissione  wireless. Questo 
mi permette di ridurre notevolmente il numero di ripetitori lungo il percorso del segnale.
b) Bassa complessità
La tecnologia RoF fa uso del concetto di stazione remota, precedentemente menzionato. Tale 
stazione è costituita solo da un convertitore ottico-elettrico (O / E) ( e un convertitore opzionale di 
frequenza),  dagli opportuni amplificatori e dall'antenna. Ciò significa che la gestione delle risorse 
radio, nonché la circuiteria necessaria alla generazione del segnale, è spostata dalla RS alla BTS, 
semplificando cosi l'architettura.
c) Riduzione del costo
Una struttura più semplice della RS, cosi come definita nel punto precedente, significa costi minori 
in termini di installazione delle infrastrutture e di consumo energetico dei dispositivi e contribuisce 
in maniera decisiva ad abbassare i costi dell'installazione  e della manutenzione della rete. 
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d) Usi futuri
La tecnologia Rof è una tecnologia cosiddetta “protocol transparent”, ovvero non prevede protocolli 
specifici da seguire nell'utilizzo, ed è quindi adattabile a diversi tipi di reti, anche a future 
generazioni di reti.
Applicazioni
a) Accesso alle “dead zones”
Un'importante applicazione di RoF è data dalla possibilità di fornire una copertura wireless anche in 
zone in cui non è possibile il collegamento backhaul wireless . Queste zone possono essere aree 
interno di una struttura come un tunnel, le aree dietro gli edifici, luoghi o aree montane isolate, zone 
con un alta densità di persone, ma temporanea, come avviene negli eventi sportivi. In questi casi 
tramite la fibra si possono raggiungere piccole antenne poste nei luoghi citati che re irradiano il 
segnale a bassa potenza con un notevole vantaggio in termini di consumo di potenza ( e quindi di 
durata delle batterie dei terminali mobili) nonché di inquinamento elettromagnetico.
b) FTTA (Fiber to the Antenna)
Utilizzando un collegamento ottico direttamente connesso all'antenna, il venditore di dispositivi può 
ottenere diversi vantaggi, come perdite di linea basse, immunità ai fulmini / scariche elettriche e 
una complessità ridotta  della stazione base .
Obiettivo della tesi è stato in prima istanza il miglioramento di un sistema  precedentemente 
realizzato, costituito da un trasmettitore e un ricevitore realizzati secondo le specifiche dello 
standard 3GPP LTE da utilizzare in un collegamento RoF . Tale miglioramento è volto al recupero 
alla sincronizzazione di frame all'interno del segnale ricevuto nonché ad una equalizzazione più 
continua della fase del segnale , passi necessari per una corretta interpretazione del segnale stesso. 
In seconda istanza  il segnale generato dal trasmettitore è stato trasmesso attraverso un canale RoF 
reale, nella fattispecie diversi tipi di fibra ottica, per potere effettuare delle misure che mi 
permettessero di valutare la “qualità” del segnale ricevuto. Le misure considerate sono state quelle 
del' ALCR ( Adjacent Channel Leakage power Ratio) e dell' EVM (Error Vector Magnitude), il cui 
significato sarà illustrato in seguito.
Nella figura 1.2 in pagina seguente è stato rappresentato uno schema riassuntivo del sistema usato.
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Figura 1.2 – Sistema di trasmissione e ricezione di un segnale LTE realizzato nella tesi
Nella figura è stato messo in evidenza innanzitutto il trasmettitore, realizzato su un comune PC in 
ambiente Matlab e tramite il software Simulink. Un esempio del software è riportato nel fumetto 
sovrastante il trasmettitore. I campioni del segnale generato dal trasmettitore sono stati portati con 
la chiavetta sullo strumento MS8230A, che a partire da essi genera un segnale analogico da 
trasmettere su un mezzo fisico quale la fibra ottica riportata in figura. Lo strumento ha la medesima 
fibra sia come input che come output. Il segnale ricevuto dopo la trasmissione sulla fibra è stato 
quindi nuovamente campionato dal MS e tramite chiavetta i campioni sono stati riportati sul PC. Sul 
PC i campioni sono stati inseriti in ingresso al ricevitore, realizzato sempre in ambiente Matlab ma 
tramite linguaggio Matlab per una maggiore semplicità. Il ricevitore mi permette di analizzare e 
valutare la “qualità” della trasmissione.
Le misure di cui prima, ACLR e EVM, sono state realizzate rispettivamente sullo strumento e sul 
ricevitore.
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1.2 Lo standard LTE
Lo standard LTE ( Long Term Evolution), è uno standard per la comunicazione wireless di dati ad 
alta velocità per telefoni cellulari e terminali di dati. Si basa sulle precedenti tecnologie di rete 
GSM/EDGE e UMTS/HSPA, aumentandone però la capacità e la velocità di trasmissione grazie 
all'adozione di nuove tecniche di modulazione. Lo standard è stato sviluppato dal consorzio 3GPP 
(3
rd
 Generation Partnership Project).
Anche se comunemente indicato come un tipo di servizio wireless 4G, l'attuale versione dello LTE 
(Release 8), non soddisfa ancora i requisiti imposti dall'organizzazione ITU-R per la quarta 
generazione dei telefoni cellulari, che saranno soddisfatti solo con le future versione ( LTE 
advanced).
1.2.1 Le specifiche dello standard 
Lo standard LTE prevede le seguenti specifiche:
• Download e Upload rate
In download e in upload sono previste rates massime rispettivamente di 299.6 Mbit/sec e di 
75.4 Mbit/s, raggiungibili o meno a seconda della categoria del terminale mobile ( User 
Equipment UE). Lo standard prevede infatti 5 categorie di terminali mobili, capaci di 
processare fino a 20 MHz di banda di canale.
• Latenze
Lo standard prevede tempi di latenza nel trasferimento dati inferiori ai 5msec in condizioni 
ottimali, nonché tempi di latenza nell'handover e nel tempo di set up della connessione 
inferiori a quelli dei precedenti standard.
• Tecniche di modulazione
Le tecniche di modulazione previste sono l' OFDMA nella tratta di downlink, versione della 
tecnica di modulazione ortogonale OFDM, e la SC-FDAM in quella di uplink (Single 
Carrier – FDMA).
• Tecniche di duplex ing
Lo standard supporta sia la tecnica di trasmissione FDD ( Frequency Division Duplexing), 
ovvero con trasmissione in downlink e uplink su bande diverse e dedicate, che la tecnica 
TDD (Time Division Duplexing), ovvero una trasmissione sulla stessa banda di frequenze in 
entrambi i versi ma in intervalli di tempo alternati. Nella tesi abbiamo preso in 
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considerazione il canale di downlink con tecnica di duplexing FDD per la realizzazione del 
trasmettitore e del ricevitore.
• Bande operative
Le bande operative previste sono differenti a seconda della tecnica di duplexing. Nelle 
condizioni di cui prima (downlink, FDD) abbiamo scelto tra le bande operative la banda 1 
(2110 MHz – 2170 MHz) e la banda 5 ( 869 MHz – 894 MHz). 
Le larghezza di banda ( channel bandwidth o CB) previste per il canale di trasmissione sono 
le seguenti: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, variabili a seconda delle esigenze 
degli operatori e dei servizi celle. Nella tesi effettueremo la trasmissione del segnale con tre 
di queste bande, ovvero a 1,4 MHz, 3 MHz, 20 MHz.
• Ampiezza celle
Le celle in cui avviene le trasmissione variano dalle femto-celle di poche decine di metri di 
raggio fino a macro-celle di 100 km. Nelle aree urbane le celle sono tipicamente dell'ordine 
di 1 km o inferiore.
• Architettura
Lo standard non prevede Base Station classiche ma i cosiddetti eNodeB, ovvero stazioni 
base in cui però la gestione delle risorse è demandata a livelli superiori dell'architettura.
1.2.2 La tecnica OFDMA 
L' 'Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) è una tecnica di trasmissione consistente 
in un tipo di modulazione multi-portante, ovvero che utilizza un numero elevato di sotto-portanti tra 
loro ortogonali . Questo semplifica notevolmente le architetture del trasmettitore e del ricevitore, 
evitando l'introduzione di singoli filtri per ciascun sotto-canale. Ortogonalità significa anche 
un'elevata efficienza spettrale, a parità di bitrate, arrivando ad utilizzare pienamente la banda 
disponibile, con uno spettro quasi bianco. Di contro l'ortogonalità richiede una sincronizzazione 
estremamente elevata tra le frequenze locali del ricevitore e del trasmettitore, perché una deviazione 
di frequenza causerebbe il fenomeno del cross talk ( interferenza co-canale). 
La trasmissione binaria viene  quindi divisa dapprima in N flussi paralleli, ognuno dei quali 
corrisponde a una diversa portante all'interno della banda di frequenza scelta. Gli N flussi paralleli 
vengono creati tutti nello stesso istante e poi inviati ai modulatori, per  una modulazione di tipo 
convenzionale e eventualmente diversa da portante a portante . Nello standard LTE si usano 
modulazione QAM a diversi livelli, nello specifico 4-QAM (equivalente al QPSK), 16-QAM e 
64-QAM, con un basso symbol rate, in modo da mantenere un data rate simile agli schemi a singola 
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portante. La suddivisione in sotto-portanti permette di non incrementare la frequenza di simbolo per 
aumentare la velocità di trasmissione.
Il vantaggio primario dell'OFDM rispetto agli schemi a singola portante usati in standard precedenti 
per reti cellulari è la possibilità di effettuare la comunicazione  anche in condizione pessime del 
canale, ad esempio nel caso in cui il canale di comunicazione sia affetto dal fenomeno del 
multipath. Tale fenomeno avviene quando arrivano sul ricevitore diverse repliche del segnale, a 
causa ad esempio di ostacoli  che riflettono il segnale durante la propagazione- Quando le repliche 
del segnale si combinano al ricevitore possono verificarsi fenomeni di interferenza costruttiva 
(repliche combinate in fase) o distruttiva (repliche in controfase), di conseguenza il segnale ricevuto 
risulta distorto per un fenomeno di fading selettivo. Il sistema OFDM risulta molto robusto al 
fading selettivo, rispetto alle modulazioni a singola portante, in quando le portanti a banda stretta 
occupano una piccola porzione dello spettro, dove la risposta del canale è sostanzialmente piatta, 
non distorcente.  Mantenere un basso symbol rate permette  inoltre di ridurre l'interferenza inter 
simbolo ( ISI) grazie alla presenza di intervalli di guardia di durata accettabile tra i segnali trasmessi 
. La riduzione dell' ISI è inoltre aumentata dall'uso del prefisso ciclico o CP, ovvero la ripetizione 
dell’ultima parte del simbolo stesso. In ricezione le repliche del segnale giungono in istanti diversi 
e, se il ritardo è inferiore alla durata del prefisso stesso, non vi è sovrapposizione fra simboli 
successivi (con riferimento ai simboli effettivi, escludendo il prefisso). Il CP viene quindi rimosso 
in quanto non rilevante per il ricevitore.
OFDMA è una versione multiutente dello schema di modulazione digitale appena visto . In 
OFDMA l'accesso multiplo è ottenuto assegnando a ciascun utente gruppi di sotto-portanti per un 
determinato periodo di tempo, permettendo così  di assegnare ad ogni utente quella banda di 
frequenze in cui il canale presenta condizione di trasmissione più favorevoli
Figura 1.3 Multiplazione OFDM all'interno dello standard LTE ( 5 MHz CB)
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