La comunicazione ottica nello spazio libero

In questo articolo viene riportata una descrizione di vantaggi e limiti dei sistemi di comunicazione ottica nello spazio libero. L’argomento viene preceduto da una panoramica sui sistemi wireless.

Introduzione

La recente diffusione dei sistemi cellulari (sensori intelligenti, telefonia mobile, stazioni radio base, satelliti, dispositivi di sorveglianza, radar del traffico, ecc.) ha aumentato la complessità degli algoritmi di elaborazione e spinto le tecnologie esistenti ai loro limiti. L’analisi dettagliata delle questioni sollevate e/o una discussione approfondita di una qualsiasi delle soluzioni proposte è molto vasta. Tuttavia, gli obiettivi sono quelli di far luce sulle principali applicazioni, recenti campi di ricerca e riassumere alcuni dei risultati ottenuti in vari progetti e studi di ricerca. Prima di conoscere le applicazioni recenti e le limitazioni delle tecnologie esistenti, dobbiamo tener presente che siamo al tramonto dei sistemi di comunicazione wireless. Nel corso delle sue ricerche e studi, Maxwell predisse l'esistenza delle Onde Elettromagnetiche (siamo alla seconda metà del 1800). Pochi anni dopo, Hertz dimostrò l'esistenza di tali onde. Poi, Marconi, una decina di anni dopo, inventò e brevettò il primo sistema di trasmissioni senza fili a radio frequenza. Nel primo sistema di trasmissione di Marconi, le antenne erano più grandi del suo laboratorio e i circuiti elettrici del trasmettitore occupavano una stanza. Tuttavia, ingegneri e ricercatori sono stati molto creativi nell'inventare nuove applicazioni, ridimensionare la circuiteria elettronica migliorando e diversificando i servizi. Già dal secolo scorso, le società delle telecomunicazioni proponevano un gran numero di servizi commerciali. All'inizio, i sistemi di trasmissione wireless erano legati ad enormi applicazioni come le trasmissioni radiofoniche e televisive, i radar militari e civili terrestri e marittimi. I sistemi di trasmissione analogici erano molto diffusi fino all’inizio degli anni ’80 del secolo scorso. Queste tecnologie sono diventate molto limitate nel gestire tutte le esigenze delle società moderne. In realtà, la nostra vita quotidiana è piena di applicazioni correlate alle comunicazioni senza fili. L'elenco di tali applicazioni e servizi è molto lungo e non può essere limitato alle principali applicazioni dei sistemi di comunicazione wireless, come la telefonia mobile, tablet, lettori multimediali portatili, radio e televisori, dispositivi remoti wireless, diversi protocolli di comunicazione wireless (Wi-Fi, Zigbee, Wimax, ecc.), robotica, smart car, smart navigatori e reti smart. Molti dispositivi biomedici utilizzano tecnologie wireless, satelliti, ecc. Anche i radar vengono utilizzati per vari scopi quali radar terrestri per la sorveglianza di aerei in ambito civile o per obiettivi militari, sicurezza stradale, meteorologia, radar a penetrazione terrestre, astronomia, sistema di allarme e controllo aereo.

Le sfide delle comunicazioni wireless

Utilizzando gli standard per l'assegnazione delle frequenze pubblicati dagli organismi di standardizzazione (Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU), Conferenza Europea delle Amministrazioni delle Poste e delle Telecomunicazioni (CEPT), Commissione Interamericana delle Telecomunicazioni (CITEL)) e alcune informazioni della NASA, le lunghezze d'onda assegnate e le frequenze delle principali onde elettromagnetiche (EM) sono illustrate in Figura 1.

Figura 1: Spettro EM

La lunghezza d'onda di un’onda EM rispetto alla sua frequenza è data dalla seguente relazione:

λ = c/f = 3*10⁸ (m/s) / F(Hz)

dove c è la velocità della luce e F è la frequenza dell’onda EM. Lo spettro EM riportato in Figura 1 mostra chiaramente che lo spettro è molto congestionato e che non esiste spazio per nuove applicazioni e servizi. Il mondo ospita miliardi di gadget e questi si stanno moltiplicando più velocemente di noi. Inoltre, gli utenti diventano più esigenti e le industrie della comunicazione cercano di far fronte al crescente numero di clienti e alle loro esigenze. La prima generazione (1G) di un telefono cellulare è stata introdotta sul mercato quasi alla fine degli anni ‘90. 1G poteva gestire solo le voci di base ed era basato sul protocollo analogico FDMA (Frequency Division Multiple Access). La velocità di questo standard era di circa 2,4 Kbps. Quasi dieci anni dopo, fu introdotta la seconda generazione (2G) per migliorare la copertura e la capacità. 2G considera due diversi standard: TDMA (Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Access) con una velocità di trasmissione di 64 Kbps. All'inizio degli anni '90 è stata introdotta la terza generazione (3G) per gestire voce e dati (multimedia, testo, Internet, ecc.). Era basata su CDMA e aveva un bit rate di 2 Mbps. La quarta generazione (4G) è stata adottata dall'inizio di questo secolo e utilizza il protocollo IP (Internet Protocol) Standard e LTE (Long-Term Evolution). Il 4G è ottimizzato principalmente per dati che possono raggiungere una velocità di trasmissione di circa 100 Mbps. In realtà, molti enti standard hanno sviluppato e resa disponibile la quinta generazione (5G). Già dall’inizio del 2023, sono 10 milioni gli utenti del 5G in Italia (dati AGCOM). Questa generazione consente di raggiungere una velocità (teorica) di trasmissione dati di 20 Gbps e quindi è adattata a gestire applicazioni dell’Internet delle Cose (IoT) che costituisce una importante sfida per le nostre reti di comunicazione. In effetti, l’IoT consente la comunicazione tra dispositivi connessi in rete, che sarà implementata in modo massiccio nelle auto intelligenti, strade intelligenti, città intelligenti, case ed edifici intelligenti (nel contesto delle case e dell'automazione degli edifici), sicurezza (sorveglianza, allarme, rete di siti) e comunicazione industriale M2M. Si prevede che nel 2025 ci saranno circa 60 miliardi di connessioni. Il problema imminente dell'industria delle telecomunicazioni sarà l'esponenziale aumento del numero degli utenti che produrrà sicuramente un impatto sulla disponibilità delle bande dello spettro EM già congestionato.

Campi di ricerca attivi

Per risolvere i problemi delle comunicazioni wireless, ricercatori e ingegneri di tutto il mondo stanno sviluppando attivamente nuovi campi di ricerca e proponendo nuove tecnologie. Vale la pena ricordare che la creazione di nuove tecnologie può aiutare a risolvere alcuni problemi. Infatti, ad esempio, la diffusione della televisione digitale terrestre (DTTV) al posto della vecchia televisione analogica ha liberato alcune bande dello spettro EM poiché la DTTV impegna larghezze di banda inferiori rispetto a quelle richieste nel caso analogico. Un altro caso di gestione ottimale delle bande di frequenza è rappresentato dalla tecnologia Smart radio cognitiva. Le Smart radio cognitive possono scansionare e analizzare il loro ambiente e adattare i parametri di trasmissione/ricezione per trasmettere e proteggere meglio i dati trasmessi. La Smart radio cognitiva può essere principalmente divisa in due categorie: radio individuali intelligenti e reti intelligenti (in gran parte considerate radio cognitive). Una radio intelligente può essere programmata e configurata automaticamente in modo dinamico. Le reti intelligenti ottimizzano l’uso totale delle risorse fisiche disponibili tra i suoi membri. Nel caso di una radio cognitiva, la funzione decisionale principale può essere effettuata nell'unità centrale mentre le procedure di scansione e analisi possono essere eseguite in ogni singola unità (un'unità di trasmissione può essere indirizzata ad un utente primario o secondario). Per condividere in modo ottimale le risorse fisiche, la Smart radio cognitiva classifica i trasmettitori (gli utenti) in due categorie: utenti primari e secondari. Un utente primario è l'utente titolare di una licenza di uno spettro EM definito. Gli è consentito di utilizzare la sua larghezza di banda in qualsiasi momento purché rispetti l'area di copertura e la potenza di trasmissione. Poiché molti utenti primari non trasmettono continuamente, le loro larghezze di banda protette non vengono utilizzate in modo ottimale. Pertanto, un utente opportunistico (cioè un utente secondario) può utilizzare la migliore larghezza di banda disponibile purché il suo segnale non interferisca in nessun momento con il segnale dell’utente primario.

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