Introduzione

Uno dei fattori che ha maggiormente contribuito alla diffusione della piattaforma Centrino è stato sicuramente il supporto nativo ai protocolli per la connessione wireless. Correva l'anno 2003 quando Intel sganciò questa vera e propria "bomba" nel segmento mobile e il successo che ne è scaturito è sotto gli occhi di tutti.

La piattaforma Centrino integra tre componenti chiave: la CPU, il chipset e una scheda wireless integrata. Il tutto volto ad una estrema razionalizzazione del consumo energetico, pur mantenendo prestazioni spinte e ingombri ridotti.

Solitamente, quando si parla di Centrino o più in generale di piattaforme votate all'uso notebook, si fa riferimento alle prestazioni in termini di performance per watt del solo comparto processore/chipset e, al limite, quando presente, della GPU integrata.

Eppure, a ben pensarci, il successo del logo Centrino è stato in parte anche legato alle prestazioni wireless, che all'epoca erano di tutto rispetto, anche se inferiori a soluzioni con schede dedicate che andavano inserite in appositi vani PCMCIA dei computer portatili.

Era indubbia la comodità di potersi connettere all'hot spot domestico o dell'aeroporto senza portarsi dietro una scomoda scheda da inserire nel portatile. I driver di queste schede dovevano essere installati a parte, magari caricandoli da CD-ROM, mentre se il modulo wireless era integrato nella scheda madre del portatile, come nella piattaforma Centrino, bastava ritirare il notebook dal negoziante per averlo pronto per connettersi a internet una volta a casa.

Nel 2003 Centrino supportava le modalità di connessione wireless 802/11 a, b e, con un opportuno upgrade, anche g. Tradotto in throughput, significava poter scaricare idealmente a velocità, con i protocolli b e g, rispettivamente pari a 11 e 54 Mbit/s.

Notare che abbiamo scritto "idealmente". Già, perché non c'è niente più aleatorio di un canale wireless con un numero variabile di utenti connessi che si parlano sfruttando la stessa risorsa fisica, il canale radio, soggetto ad interferenze di ogni tipo.

Idealmente in questo caso significa: nessuna collisione fra utenti che accedono al medesimo canale, qualità eccellente del segnale in ricezione, nessuna interferenza radio nel canale dovuta ad altri dispositivi, quali cordless, Bluetooth, motori elettrici e in genere a qualsiasi dispositivo che riversa rumore elettromagnetico nel canale di comunicazione. 

Mimo Wireless, continua

Nel 2008 debuttò la quinta versione di Centrino, chiamata Centrino 2, capace, con una scheda di rete più potente, di sfruttare simultaneamente i protocolli 802.11n e l'802.16, quest'ultimo noto come WiMax e adatto a reti metropolitane, anziché locali come la famiglia dei protocolli 802.11, globalmente noti come protocolli Wi-Fi.

Quando è stato annunciato, l'802.11n era ancora in versione bozza ("draft"): la IEEE ha  ratificato la versione definitiva dello standard l'11 settembre 2009, mentre la pubblicazione è prevista per l'inizio del 2010.

Ora, di quanto è capace l'802.11n? Ricordiamoci che l'802.11g idealmente raggiungeva i 54 Mbit/secondo (in condizioni reali stiamo intorno ai 20 Mbit/s). In condizioni ideali, sfruttando un certo numero di antenne in trasmissione e ricezione, con l'802.11n si può arrivare fino a 600 Mbit/sec. Attualmente, con le normali schede di rete integrate, il throughput è intorno ai 400 Mbit/s; nella realtà, con Centrino 2 ci attestiamo poco oltre i 100 Mbit/s.

Quindi, Centrino 2 è almeno cinque volte più veloce di Centrino 1. Diciamo "almeno" perché in quei casi in cui tra la stazione base (hot-spot casalingo o router wi-fi) e il terminale siano presenti delle pareti e quindi manchi un link diretto senza ostacoli frapposti tra i dispositivi, il protocollo n può essere anche 10 volte più veloce rispetto al g.

A questo punto, sorge una domanda: quale è la chiave di volta che ha consentito questo incremento così importante rispetto a tre anni fa?

È stata aumentata la potenza trasmessa? No (esistono norme di legge in merito ai tetti di emissione a radiofrequenza, e per aumentare la durata delle batterie le schedine wireless non possono essere troppo affamate di ampere).

Hanno progettato nuove antenne rivoluzionarie? No (in genere le antenne dei dispositivi mobile sono condivise tra Wi-fi, Bluetooth e UMTS,  per cui avremmo dovuto assistere ad analoghi miglioramenti in altri settori)

È stato utilizzato un canale radio meno affollato di utenze e quindi meno rumoroso? No, il canale è lo stesso del vecchio Wi-Fi (2.4 GHz con opzione dual-band a 5 GHz)

La risposta è in una sigla: MIMO (si pronuncia "mai-mo").

Il Mimo è attualmente sfruttato in tutti i protocolli evoluti wireless, quali il wi-fi 802.11n e nel WiMax.

Lo stato dell'arte: Intel WiMAX/WiFi Link 5350

Questa schedina per bus PCI Express misura 3x6 cm e tipicamente viene installata nei notebook di fascia superiore dietro il brand di Centrino 2.  Sono visibili i tre slot numerati da 1 a 3 per collegare altrettante antenne. Se diamo retta alle specifiche, utilizzando il protocollo 802.11n questa scheda è in grado di gestire una banda di 450 Megabit al secondo (quasi mezzo Gigabit!) sia in trasmissione (TX) che in ricezione (RX), sfruttando tutte e tre le antenne in modalità "3x3" (vedremo fra poco cosa significa) alle frequenze di 2.4 GHz e 5 GHz. E' anche compatibile con il WiMax: in quest'ultima modalità lavora a 2.5 GHz, e gestisce fino a 13Mbit/s in downlink e Mbit/s in Uplink.

Se le prestazioni del WiMax vi sembrano scarse (una decina di Megabit al secondo contro i quattrocentocinquanta del Wi-Fi!), ricordate che il WiMax è nato per reti metropolitane, in cui l'access point può distare anche diversi Km dal portatile, con un segnale più debole e distorto.

Questa scheda non è ancora in grado di gestire il passaggio da una rete Wi-Fi ad una rete WiMax in modo trasparente per l'utente: d'altronde non è tanto la questione se è possibile effettuare questo passaggio - propriamente chiamato handover - con l'hardware di un laptop, quanto se la infrastruttura di rete è in grado di gestire il passaggio.

Mancando reti adeguate, gli ingegneri Intel non si sono curati di aggiungere questa funzionalità, peraltro molto complessa.

Ma torniamo a noi: dopo tanti bei numeri è ora di capire come funziona il MIMO.

Tenete conto che dietro c'è molta matematica, per cui è stato necessario semplificare al massimo gli argomenti onde non appesantire l'articolo con formule, matrici e algoritmi sofisticati. D'altronde, se il MIMO fosse cosa semplice, ci sarebbero tonnellate di articoli on line alla portata del grande pubblico. Così non è, e noi cerchiamo di porvi rimedio.

Multipath

Credo che chiunque abbia urlato a squarciagola, almeno una volta nella vita, da un'altura circondata da montagne, e avrà sperimentato che a diversi intervalli ritornano uno o più echi più o meno "lunghi" e ritardati. Questi echi sono l'effetto dei rimbalzi dell'onda acustica contro le pareti delle montagne. A seconda delle riflessioni (che possono essere multiple) l'onda sonora ritorna alla sorgente in tempi diversi.

Se pero' urliamo dentro una camera non ammobiliata, non avvertiamo alcun eco, ma avvertiamo il fenomeno detto "rimbombo". Il nostro orecchio non è in grado di percepire variazioni sonore più corte di qualche decina di millisecondi. Poichè le pareti sono molto vicine, l'onda sonora riflessa ritorna indietro quasi istantaneamente e puo' essere opposta al segnale che emettiamo, riducendo l'intensità complessiva. Oppure puo' essere in fase, rafforzando il segnale. Il rimbombo è quindi un fenomeno in cui il segnale sonoro viene amplificato o attenuato in modo variabile ed ostacola la comprensione.

Comunque stiano le cose, sia parlando in una camera non ammobiliata, sia urlando in montagna percepiamo suoni attenuati, ritardati e distorti.

Sostituiamo le montagne con la città (non è un caso che si parli di "canyon urbani"). Le pareti delle montagne diventano gli edifici, i muri in cemento armato, le automobili. La sorgente non produce più un'onda acustica, bensì un'onda elettromagnetica, cioè il segnale radio.

Multipath, continua

Chi riceve il segnale non è più chi lo emette bensì qualcuno situato a decine di metri di distanza come nel caso della rete Wi-Fi, o a chilometri di distanza, come nel caso Wi-Max. Chi riceve il segnale, ovvero il ricevitore, preleva una copia attenuata, ritardata e poco distorta del segnale originale se si trova sulla linea di vista (LOS=line of sight) senza ostacoli rispetto a chi emette. Se però ci sono riflessioni, il ricevitore colleziona molte copie del segnale, in genere tutte ritardate (in gergo si dice "sfasate") tra di loro, attenuate e distorte in misura diversa. La somma, o meglio, la sovrapposizione di tutti questi segnali ricevuti, aventi un'unica sorgente originale, può risultare inintelligibile. In altri termini, il ricevitore non capisce cosa il trasmettitore gli sta dicendo.

Se gli ostacoli sono lontani, è come avere una eco. Se gli ostacoli sono vicini, è come avere un rimbombo.

Attenzione: non è come quando un amico vi parla in mezzo al traffico di una strada congestionata e non capite quello che sta dicendo. Infatti, in quel caso il segnale è semplicemente "sommerso" dal rumore (si parla infatti di rapporto segnale-rumore basso). Nel caso dei percorsi multipli del segnale ("multipath" nel linguaggio tecnico) sono le copie del segnale originale a sovrapporsi producendo un segnale così distorto che il ricevitore non è in grado di decodificarlo. Nel caso peggiore, le repliche arrivano addirittura in controfase, cioè con segni opposti, annullandosi reciprocamente: il segnale ricevuto sparisce o risulta molto attenuato (si parla di fading, cioè di attenuazione).

Il problema fondamentale di un canale wireless è quindi il multipath fading.

Nel caso di un collegamento "wireline", ovvero con fili (un cavo coassiale, una fibra ottica, il doppino telefonico etc.), i segnali emessi dal trasmettitore viaggiano "in fase" e sono ordinatamente raccolti e decodificati dal ricevitore, uno dopo l'altro. Il problema del multipath non sussiste o comunque è assolutamente trascurabile.

Invece il multipath urbano è un grave problema. Per fare un altro esempio, è come se un cantante eseguisse una performance in una piccola hall con pareti riverberanti; all'ascoltatore arrivano le sillabe cantate mescolate e rimbombate dalle pareti. Se le sillabe non sono troppo sovrapposte, l'ascoltatore riesce a capire (decodificare) le parole della canzone. Raggiunto un limite, l'ascoltatore non è più in grado di comprendere nulla. Nel gergo delle telecomunicazioni, le sillabe sono i "simboli" trasmessi, la sovrapposizione delle sillabe si chiama "interferenza fra simboli o interferenza intersimbolica (ISI)", la probabilità di non comprendere o fraintendere quello che la fonte dici, si chiama "probabilità d'errore" e, più importante di tutto, la variazione pressochè istantanea del volume delle parole percepite dovuto al rimbombo delle vicine pareti si chiama "multipath fading".

Soluzioni classiche ma inefficaci

Per ridurre la probabilità di errore, si può chiedere al nostro amico di ripeterci quello che ha detto, ovvero si introduce una ridondanza. Però aggiungere ridondanza significa diminuire le informazioni trasmesse nell'unità di tempo. Se ripeto cose già dette, sto perdendo tempo prezioso!

In telecomunicazioni, la ridondanza è nota come codici a controllo e correzione di errore. E' come quando si riesce a recuperare un archivio .rar danneggiato: il file originale conteneva abbastanza ridondanza da ricostruire le informazioni mancanti.

E se chiediamo al nostro amico di parlare più lentamente? se il nostro amico fosse un access-point casalingo, staremmo riducendo il bit-rate trasmesso. Le sillabe si distanzierebbero, e capiremmo meglio. Nemmeno questo ci piace troppo però: significa trasmettere e ricevere più lentamente.

E se chiediamo al nostro amico di alzare la voce? Beh, se il nostro amico si "mangia le parole", ovvero ci arrivano sillabe mescolate o tronche, per quanto lui possa alzare il volume, la nostra capacità di comprenderlo non migliora. Lui sprecherebbe fiato (watt se fosse un access point) inutilmente.

Quindi, aumentare la potenza del trasmettitore non migliora la qualità del segnale ricevuto se quest'ultimo è affetto da multipath.

Insomma con i sistemi classici tradizionali (aumento di potenza, bit rate inferiori, ridondanza) perdiamo qualcosa o non miglioriamo affatto. Esiste un altro modo poco ortodosso per migliorare le cose? Occorre cambiare prospettiva.

Se gli echi arrivano ben distanziati fra di loro al ricevitore, quest'ultimo è in grado di decodificare correttamente le informazioni contenute. In figura, vengono trasmessi (TX) due simboli di informazione, di forma rettangolare nel tempo. Nel primo simbolo trasmesso (in giallo) è evidenziato con una linea rossa il segnale complessivamente visto dal ricevitore (RX). Nel secondo simbolo, in blu, abbiamo voluto evidenziare il contributo separato di tre echi visti dal ricevitore. Notare che ogni singola eco ricevuta è distorta: infatti il ricevitore non riceve un rettangolo, ma una sequenza di "copie" di forma pressappoco triangolare. Attenzione che il ricevitore non distingue fra i singoli echi, ma vede solo il segnale complessivo, in rosso!

Soluzioni classiche ma inefficaci, continua

Se i simboli ricevuti sono troppo vicini, tutte gli echi del multipath si sovrappongono producendo il segnale il cui profilo, o inviluppo, è indicato con la linea rossa e si parla di interferenza intersimbolica. In questo caso, il ricevitore non è in grado di decodificare i simboli separatamente e produce un errore.

Le copie del primo simbolo trasmesso (in giallo) arrivano in leggero ritardo fra di loro ma, quel che è peggio, con segni cambiati. La sovrapposizione quasi azzera il segnale complessivo (linea rossa). Tuttavia, i simboli ricevuti (in giallo e in blu) sono abbastanza separati fra di loro (non c'è sovrapposizione fra i simboli, no ISI). ISI e multipath fading quindi sono problemi diversi, anche se causati entrambi da riflessioni. Oggetti lontani causano l'ISI, oggetti vicini causano il multipath fading.

Un po' di inventiva

Una volta compreso il perchè il canale wireless è cosi difficile da gestire, proviamo ad escogitare qualche soluzione.

In prima battuta, potremmo inviare ogni tanto qualche segnale che sia noto anche al ricevitore. Quest'ultimo, ricevendo il segnale di cui sa tutto (forma, ampiezza, etc.) puo' quindi farsi un' idea del canale radio che il segnale ha dovuto attraversare. Osserva quindi le distorsioni, e "ricostruisce", per così dire,  le caratteristiche del canale radio.

è un po' come sapere in che condizioni parte un fuoristrada prima di una gara e poi, osservando al termine della corsa le ruote, le condizioni del parabrezza, del pianale e della carrozzeria, risalire al tipo di terreno che la vettura ha dovuto attraversare. Non sarà precisissimo, ma è abbastanza attendibile.

Non è un caso che i simboli di informazione inviati con questo scopo sono chiamati, per l'appunto, simboli "pilota": proprio perchè aprono la strada all'informazione vera e propria.

Si sprecano un po' di bit trasmessi per informare il ricevitore di come è fatto il canale. Tutto sommato è un compromesso accettabile se poi l'informazione vera e propria viene decodificata correttamente!

Un'altra soluzione praticabile è quella di assegnare, se ci passate la metafora, una "bandiera" di un dato colore ad ogni pezzo di informazione trasmessa. Pezzi d'informazione diversi portano con sè bandiere di colore diverso. Ricordiamo che i "pezzi d'informazione" nelle telecomunicazioni sono noti come "simboli". Tutti gli echi di un dato simbolo si porteranno dietro la stessa bandiera, ognuna sporcata in modo diverso dal canale, che metaforicamente è un campo di battaglia. Il ricevitore prende, per cosi' dire, gli echi di simboli aventi la stessa bandiera e dice loro "ok, ragazzi, vi ho individuato. So che appartenete a questo pezzo di informazione, cioè a questo e questo solo simbolo, e non a quello precedente o al successivo! Quindi, poichè ognuno di voi ha un po' di energia, vi sistemo per bene e, anzichè prendere uno solo di voi, il più forte buttando via gli altri, vi prendo tutti." L'unione fa la forza, si sa, e sicuramente N copie con un po' di energia l'una sono meglio di una sola copia per ricostruire il simbolo trasmesso.

Immaginate di stare su un elicottero che sorvola uno stadio dove sono state assegnate bandiere diverse agli spettatori. Se tutti gli spettatori alzano e abbassano le bandiere in modo disordinato, è il caos e non si capisce nulla. Ma se gli spettatori con la stessa bandierina si sincronizzano per alzarla tutti allo stesso istante, essi risultano ben visibili dall'alto e si accendono come un faro! Emergono cioè dal rumore di fondo e il vostro occhio, cioè il ricevitore, è in grado di riconoscere un eventuale "disegno" prodotto dall'azione combinata delle bandierine.

Quello che era un difetto, il multipath, l'abbiamo trasformato in un pregio! Sfruttiamo le copie, cioè gli echi del multipath, combinandoli fra di loro in modo da avere un massimo di energia in ricezione.

E come assegniamo queste bandierine? Qua entrano in gioco tecnologie che nascono per scopi diversi e che conducono a soluzioni profondamente lontane, come l'UMTS, il GPS  e il...MIMO.

Segnali....spaziali

Noi esseri umani, siamo abituati a ragionare in termini di spazio e di tempo. Una cosa è qua, in questo momento. La frequenza è già una diavoleria matematica essenziale in un oceano di applicazioni ma difficile da comprendere agli inizi. Figuriamoci se proviamo a introdurre un concetto come la diversità spaziale. Proviamoci lo stesso.

Immaginiamo di disporre di tre antenne in ricezione e di tre antenne in trasmissione (sistema 3x3, come la scheda Wi-Fi di Intel vista prima).

In un sistema MIMO 3x3 le antenne del portatile sono sistemate dietro il display. In totale sono presenti nove canali e tre flussi "spaziali".

Abbiamo quindi più input, e più output (da qui MIMO, che sta per multiple input/multiple output). Immaginiamo che il trasmettitore non invii tutti i simboli simultaneamente a tutte e tre le antenne, ma che oculatamente, secondo uno specifico algoritmo più o meno sofisticato, li invii in tempi diversi ad antenne diverse. Ognuna delle antenne in ricezione riceverà TUTTI i simboli trasmessi da TUTTE le antenne del trasmettitore, ma i simboli percorreranno canali diversi.

Canali diversi? Sì, perché, fortunatamente per noi, a frequenze cosi' alte, basta un niente affinchè due segnali identici che partono da due antenne diverse distanti pochi centimetri arrivino alla stessa antenna in ricezione con due forme molto diverse.

Se vi sembra strano, pensate che noi emettiamo e ascoltiamo segnali acustici a pochi KHz. E già basta stare sott'acqua dietro una parete, in una hall o tra le gole di una montagna, per avvertire differenze significative rispetto all'ambiente aperto. Quando parliamo di gigahertz, ovvero miliardi di hertz a radiofrequenza, i segnali variano milioni di volte più rapidamente della voce, e basta un cambiamento di densità dell'aria (per polvere, per una folata di vento, per una riflessione) per modificare la forma di un segnale che la attraversa.

Segnali....spaziali, continua

Cosa fa il ricevitore, ovvero la scheda Intel? Prende i segnali dalle tre antenne e li elabora in modo tale da sfruttare la diversità tra i differenti simboli. Più il canale disturba, più lo stesso simbolo trasmesso si diversifica una volta pescato da un'antenna all'altra, più il sistema funziona meglio.

Paradossalmente, più c'è multipath, meglio le cose vanno rispetto a una soluzione classica con una sola antenna che trasmette e una sola antenna che riceve. La diversità fa si che i simboli in arrivo possano essere meglio riconosciuti e ricombinati, secondo il principio delle "bandierine" che abbiamo illustrato in precendenza.

Per funzionare, ci deve essere diversità: in termini semplici, i percorsi tra coppie di antenne TX-RX devono sperimentare condizioni di attenuazione, distorsione, etc, dissimili fra di loro. A frequenze così alte, ciò è sperimentalmente verificato.

Avere più antenne significa produrre più flussi "spaziali", e i simboli anzichè avere una sola corsia a disposizione per raggiungere il ricevitore, di corsie a disposizione ne hanno tre. Dai 50 Megabit/s del protocollo g, si raggiungono i 150 Mbit/s del protocollo n con un sistema 3x3. Un momento! Intel parla di 450 Mbit/s. In effetti un ulteriore incremento è dato dal funzionamento dual-band simultaneo (a 2.4 e 5 GHz), all'utilizzo di una maggiore banda di frequenza, a modulazioni più potenti e a un controllo delle trame dati migliorato. Tuttavia queste ulteriori migliorie non tolgono nulla al MIMO, che è la vera "testa d'ariete" dei nuovi protocolli wireless.

Dove è che ci perdiamo? Nella potenza di elaborare una tale quantità di dati dal lato ricevitore. Sono necessari potenti ASIC (application specific integrated circuit) e non è un caso che Intel, leader del settore, sia all-avanguardia nello sviluppare soluzioni integrate su silicio per la gestione dei protocolli Wi-Fi e WiMax. Si tratta di un mercato da miliardi di dollari, dopotutto.

Insomma, siamo ben lontani dalla demodulazione di un segnale AM a 100 KHz, per la quale basta anche un termosifone!

Conclusioni

Con una tale banda a disposizione, gli utilizzi pratici si sprecano; ne elenchiamo solo alcuni:

• Possibilità di usufruire di contenuti video HD ed audio Hi-Fi in tempo reale.
• Chiamate Voip in qualità Hi-Fi
• Videoconferenze in alta risoluzione
• Copertura wireless in uffici difficilmente cablabili e relativo risparmio economico
• Riduzione degli angoli bui (dead spots) difficilmente coperti attualmente con un segnale wireless dell'hot-spot domestico o aziendale (numero inferiore di hot-spot da installare).

Sarà la morte di Ethernet, come alcuni immaginano? A nostro avviso, è troppo presto per fare una affermazione così forte. Però una conclusione possiamo trarla. Come nel mondo dei personal computer abbiamo assistito a una convergenza tra PC desktop, notebook, netbook e palmari, sia per funzionalità che per applicazioni, nel mondo wireless sperimenteremo il roaming "a tutto campo".

L'utente che si collega a un hot-spot Wi-fi per fare una telefonata tramite VoIp, potrà passare senza accorgersene mentre è in movimento alla copertura WiMax appena si allontana troppo dal range di copertura del Wi-fi per poi passare a una eventuale copertura UMTS. Il Bluetooth diventerà ultra wide-band e verrà estesamente usato per le pico-reti, cioè per reti aventi estensione massima di qualche metro. Se tutto ciò vi sembra complicato, pensate che parliamo di protocolli sviluppati in anni diversi quando c'erano a disposizione tecnologie diverse. E' normale che ora si cerchi di arrivare a una soluzione di cooperazione che tragga vantaggio delle infrastrutture di rete esistenti (non si butta niente, o si butta il meno possibile) e, contemporaneamente, dei nuovi progressi nel campo della elaborazione dei segnali.

Le tecnologie sono state sviluppate, ci vuole ora la volontà di implementarle.