Il margine di collegamento è la riserva, espressa in decibel, tra il livello ricevuto previsto da un bilancio di collegamento e la soglia minima richiesta dal ricevitore. Serve a rispondere a una domanda pratica: quanto può peggiorare il canale prima che il collegamento non soddisfi più il requisito di qualità?
La definizione più diretta è:
dove P_{rx} è la potenza ricevuta prevista e P_{sens} è la sensibilità del ricevitore per modulazione, banda, bit rate, codifica e qualità di servizio fissati.
Un margine positivo non significa che il collegamento sia perfetto; significa che, nel modello adottato, il livello ricevuto supera la soglia minima. Quanto margine sia sufficiente dipende da affidabilità richiesta, ambiente, variabilità del canale e costo di interruzione del servizio.
Nel bilancio di collegamento
In forma semplificata, un bilancio radio in dB può essere scritto come:
dove P_{tx} è la potenza trasmessa, G_t e G_r sono i guadagni delle antenne, L_{fs} è la perdita di spazio libero, e gli altri termini raccolgono perdite di cavi, connettori, atmosfera, puntamento, polarizzazione, ostacoli o implementazione.
Il margine entra dopo il calcolo del livello ricevuto:
dove P_{req} può coincidere con la sensibilità dichiarata del ricevitore oppure con una soglia progettuale ricavata da rumore, SNR minimo e probabilità d’errore. In molte specifiche, infatti, la sensibilità non è una costante assoluta: dipende da banda, modulazione, codifica, temperatura, cifra di rumore e BER richiesto.
Sensibilità e SNR
Se si parte dal rumore equivalente, la soglia di ricezione può essere stimata come:
Il rumore termico in una banda B si stima spesso con:
dove B è in hertz e NF è la cifra di rumore del ricevitore in dB. In questo quadro il margine può essere letto anche come margine di rapporto segnale-rumore:
Le due letture sono coerenti se rumore e soglia sono stati calcolati con le stesse ipotesi. Il margine di collegamento non è quindi “potenza in più” in senso generico: è distanza rispetto alla soglia che garantisce una certa prestazione.
Criterio di progetto
Se il progetto richiede un margine minimo M_{min}, il collegamento è accettabile quando:
Equivalentemente:
| Margine | Interpretazione |
|---|---|
| \displaystyle M<0 | il segnale previsto è sotto soglia: il collegamento non chiude |
| \displaystyle M=0 | il segnale arriva esattamente a soglia: non esiste riserva |
| \displaystyle 0<M<M_{min} | il collegamento funziona nominalmente ma non rispetta la riserva richiesta |
| \displaystyle M\ge M_{min} | il collegamento soddisfa la soglia e la riserva di progetto |
Il valore di M_{min} non è universale. Un collegamento fisso punto-punto ben allineato può richiedere un margine diverso da una rete mobile urbana, da una tratta satellitare in banda alta o da un collegamento industriale in ambiente rumoroso.
Che cosa consuma il margine
Il margine assorbe incertezze e variazioni non descritte perfettamente dal bilancio nominale. Nei collegamenti radio può essere consumato da fading multipercorso, attenuazione da pioggia, assorbimento atmosferico, disallineamento d’antenna, perdite di polarizzazione, tolleranze dei componenti, invecchiamento degli apparati, interferenze, rumore impulsivo, variazioni di temperatura e ostacoli temporanei.
Nei sistemi satellitari e nelle tratte a microonde si parla spesso di fade margin: la parte di margine destinata ad assorbire attenuazioni statistiche del canale, in particolare pioggia e fading. In questi casi il margine è collegato alla disponibilità del servizio, per esempio 99,9%, 99,99% o 99,999% del tempo.
Nei sistemi cellulari o Wi-Fi il margine può variare rapidamente. Mobilità, corpo umano, pareti, interferenza co-canale e adattamento della modulazione modificano continuamente il margine effettivo. Per questo i sistemi moderni usano spesso modulazione e codifica adattiva: quando il margine è alto si aumenta l’efficienza, quando si riduce si passa a schemi più robusti.
Esempio numerico
Supponiamo che il bilancio dia:
e che la sensibilità richiesta sia:
Il margine nominale è:
Se il requisito minimo è:
il collegamento ha ancora:
di riserva rispetto al requisito. Questo non significa che si possano eliminare arbitrariamente 4\ \mathrm{dB} dal progetto: significa che, rispetto alle ipotesi dichiarate, il progetto supera la soglia minima di 4 dB.
Margine e disponibilità
In collegamenti critici il margine va legato a un obiettivo di disponibilità. Se il canale subisce attenuazioni casuali, il progetto non si limita a verificare un valore medio: valuta la probabilità che l’attenuazione superi il margine disponibile.
Per esempio, una tratta radio può funzionare quasi sempre con 8 dB di margine in clima secco, ma richiedere molto di più in presenza di piogge intense, nebbia, fogliame o forte multipercorso. Il margine è quindi un dato di progetto statistico, non solo un numero calcolato una volta.
La formula di Friis e la perdita di spazio libero danno il punto di partenza ideale; il margine decide quanto il progetto resta robusto quando il mondo reale si allontana da quell’ideale.
Errori comuni
Il primo errore è calcolare il margine rispetto al livello di rumore invece che rispetto alla sensibilità o alla soglia richiesta. Il rumore entra nella sensibilità, ma il margine operativo confronta il segnale ricevuto con la soglia di demodulazione scelta.
Il secondo errore è usare un margine standard senza chiedersi quale disponibilità serva. Un valore accettabile per un sensore non critico può essere insufficiente per una tratta di backhaul, un collegamento satellitare o un sistema di emergenza.
Il terzo errore è sommare grandezze in scala lineare e in dB senza coerenza. Nei bilanci di collegamento in dB guadagni e perdite si sommano algebricamente; nelle formule fisiche lineari bisogna invece convertire correttamente.
Il quarto errore è ignorare modulazione e codifica. Cambiare schema di modulazione cambia SNR minimo, sensibilità e quindi margine, anche se la potenza ricevuta resta la stessa.
Vedi anche: bilancio di collegamento, sensibilità del ricevitore, rapporto segnale-rumore, perdita di spazio libero, formula di Friis, cifra di rumore, antenna, formulario di telecomunicazioni e rumore, capacità di Shannon e bilancio di collegamento: esercizi svolti.