TRAMONTA UN'EPOCA, SI VA VERSO LA TERZA GENERAZIONE
Un'analisi in dettaglio dell'architettura dei vari standard
delle reti radio mobili cellulari, dal Gsm all'Umts, con i pro e i contro delle
diverse soluzioni.
La libertà di poter usufruire della mobilità
nello scambio di informazioni, in ogni istante e dovunque ci si trovi, senza
il vincolo del collegamento fisico a un doppino telefonico, a un cavo coassiale,
a una guida d'onda o a una fibra ottica, ha rappresentato, fino dai primi anni
del '900, un valore aggiunto alle comunicazioni da perseguire e mettere a disposizione
degli utenti.
Le prime reti cellulari risalgono all'inizio degli anni Ottanta, quando vengono
introdotti il sistema Nordic Mobile Telephony 450 nei Paesi nordici, l'Advanced
Mobile Phone Service in USA e successivamente in Canada, in America Centrale
e in Sud America, il Mobile Radio Telephone System 450 in Italia, il Total Access
Communications System e l'Extended Total Access Communication System 900 in
Italia a partire dall'aprile del '90.
Tutti sistemi analogici, almeno per il traffico d'utente, incompatibili tra
loro, con capacità dimensionate sul numero di sottoscrittori di allora,
con un canale radio caratterizzato da una larghezza di banda di 25- 30 kHz e
con problemi legati alla sicurezza.
La rete Gsm
L'introduzione della tecnologia digitale, in grado di assicurare
consistenti vantaggi rispetto alla più datata tecnologia analogica (maggiore
robustezza al rumore dei dispositivi elettronici e ai degradi introdotti durante
la trasmissione, possibilità di integrare con la stessa infrastruttura
segnali di natura differente, come dati, audio, voce e video, riduzione del
costo dei componenti) e la necessità di un sistema aperto hanno spinto
il CEPT a partire dall'82 ad avviare la fase di stardardizzazione del sistema
di seconda generazione paneuropeo, denominato Global system for mobile communication
(Gsm).
I requisiti definiti dovevano garantire una qualità delle comunicazioni
voce comparabile con i sistemi precedenti, una maggiore efficienza spettrale,
un'elevata capacità, un livello di sicurezza dei dati propagati atttraverso
l'Air Interface superiore, il roaming tra le PLMN di differenti operatori mobili
e una completa interoperabilità con le reti esterne PSTN,ISDN e PSPDN
preesistenti.
Nel luglio del '91 viene realizzata la prima chiamata ufficiale
Gsm e già nel '92 quello che doveva essere un sistema paneuropeo viene
impiegato anche in Australia. Oggi si è arrivati a oltre 140 Paesi, con
più di 400 PLMN, gestite da operatori mobili tra i quali sussistono accordi
per il roaming nazionale e internazionale.
All'interno dell'architettura di rete Gsm, schematizzata in Figura
1 possiamo identificare due sistemi di trasmissione con caratteristiche completamente
distinte: un primo sistema radio tra MS e BTS che prevede la mobilità
del mobile e un secondo terrestre, punto-punto, tra gli elementi di rete fissi
BTS, BSC, TC e MSC.
È proprio la tratta attraverso l'Air Interface a rappresentare
il collo di bottiglia dell'intera rete in termini di risorse disponibili, di
capacità e di net throughput. La rete Gsm impiega per l'accesso alla
Um Interface la tecnica ibrida FDMA/ TDMA che, per come è stata standardizzata,
consente di servire simultaneamente fino a 8 chiamate full rate per ogni transceiver
installato in BTS, potendo assegnare staticamente un unico time slot per frame
al singolo utente, sia nell'uplink sia nel downlink.
Attraverso l'Air Interface si riesce a trasmettere la voce a 13
kb/ s con i canali logici Full Rate Traffic Channel, a 6,5 kb/ s con gli Half
Rate Traffic Channel, a
12,2 kb/ s per gli Enhanced Full Rate Traffic Channel mentre i dati a un net
throughput massimo di 9,6 kb/ s.
La rete Gsm è una rete a commutazione di circuito per la trasmissione
del payload (voce e dati), scelta ottimale per la fornitura del servizio voce,
ma non altrettanto per dei servizi dati. Questa soluzione non solo si riflette
in un'allocazione statica delle risorse, ma incide anche sui criteri di tariffazione,
basati principalmente sulla durata della chiamata: criterio adatto per le comunicazioni
voce, ma non altrettanto per quei servizi dati caratterizzati da idle period
elevati.
Sistemi radio mobili cellulari di generazione 2.5
Per superare questi vincoli sono state standardizzate nuove soluzioni,
tra queste spiccano l’High Speed Circuit Switched Data (HSCSD), il General
Radio Packet Service (Gprs) e l’Enhanced Data rate for Gsm Evolution (EDGE).
Il primo sistema si integra sull’infrastuttura della rete Gsm a commutazione
di circuito e prevede attraverso l’Air Interface l’incremento del
net throughput massimo fino a 14,4 kb/ s per ciascun burst, con una riduzione
del numero di bit di ridondanza introdotti nel trasmettitore dal codificatore
di canale e con una conseguente riduzione della capacità correttiva del
decodificatore in ricezione. Il sistema HSCSD prevede inoltre la possibilità
di aggregare più time slot per frame per la singola chiamata fino a garantire
un bit rate massimo di 115,2 kb/ s. Logicamente, l’assegnazione di più
risorse per la singola chiamata comporta una riduzione del numero di utenti
gestibili simultaneamente dalla singola BTS, il che costituisce un aspetto molto
critico, tanto da portare alcuni operatori mobili a non implementare questa
caratteristica dell’HSCSD. Il secondo sistema di generazione 2.5, standardizzato
a marzo ’98 (Phase 1) e identificato come Gprs presenta l’architettura
di rete integrata sul preesistente sistema Gsm.
L’NSS presenta due rami, un primo, già presente nel
Gsm, a commutazione di circuito da utilizzare per le comunicazioni voce e per
quei servizi dati a bassi bit rate e sensibili a ritardi, e un secondo a commutazione
di pacchetto per inviare sulla backbone IP i bit relativi ad applicazioni dati
tra i nuovi elementi di rete Serving GPRS Support Node (SGSN) e Gateway GPRS
Support Node (GGSN). Si ha così la possibilità, dopo aver attivato
un Packet Data Protocol context, di connettere il proprio laptop attraverso
la mobile station Gprs o direttamente la propria mobile station a una intranet
aziendale esterna, a Internet oppure a una Virtual Private Network mentre si
viaggia, stando al di fuori del proprio ufficio senza essere collegati a una
rete fissa.
Con il Gprs assistiamo quindi all’introduzione della commutazione
a pacchetto nel mondo radio mobile cellulare con tutti i vantaggi e i problemi
connessi. Attraverso l’Air Interface si utilizza, a livello fisico, lo
stesso schema trasmissivo del Gsm con la differenza che è possibile adattare
la codifica di canale alle condizioni di propagazione. Sono infatti previsti
quattro differenti schemi di codifica CS1, CS2, CS3 e CS4, caratterizzati rispettivamente
da un net throughput di 9.05 kb/ s,
13,4 kb/ s, 15,6 kb/ s e 21,4 kb/ s per time slot. Questi quattro valori sono
ottenuti riducendo i bit di ridondanza fino all’eliminazione completa della
codifica di canale. Con il CS4 quindi non sarà possibile correggere bit
errati a livello di physical layer, per cui il numero di ritrasmissioni dei
vari blocchi di bit sarà molto elevato, anche per valori di C/ I (Carrier
to Interference ratio) superiori alle condizioni medie di propagazione.
Il GPRS consente di aggregare più time slot per frame per
la singola connessione, ma a differenza dell’HSCSD l’assegnazione
delle risorse fisiche viene realizzato in modo dinamico e su richiesta. Inoltre,
si ha la possibilità di realizzare anche il load sharing dello stesso
time slot tra più utenti, assicurando la possibilità di ottimizzare
le risorse allo scopo di fornire dei servizi caratterizzati da flussi asimmetrici
in uplink e downlink. Il massimo net throughput teorico raggiungibile attraverso
l’Air Interface vale 171.2 kb/ s, (aggregando otto time slot e applicando
il CS4), ma almeno nelle prime fasi e con le mobile station Gprs in grado di
aggregare fino a quattro time slot, il valore di net throughput più realistico
sarà intorno ai 40 kb/ s (quattro time slot con CS2 e un fattore correttivo
del 25%).
Anche dal punto di vista della tariffazione l’operatore mobile
può basarsi non più solo sulla durata della connessione, ma alternativamente
sulla quantità di dati trasferiti, sul tipo di servizio richiesto, sulla
QoS voluta, sul livello di sicurezza da garantire, sulla mobilità del
mobile oppure su un flat rate mensile. Un ulteriore sistema d’accesso interessante
da citare, inserito anche nella release 5 delle specifiche tecniche del sistema
Umts, è l’EDGE. È caratterizzato dalla stessa infrastruttura
di rete del Gsm, ma lo schema di trasmissione attraverso l’Air Interface
prevede la modulazione 8- PSK e non più la GMSK. Questa tecnica consente
di incrementare l’efficienza spettrale da 1 bit/ s/ Hz a 3 bit/ s/ Hz con
la conseguente capacità, a parità di tutte le altre condizioni,
di triplicare il net throughput rispetto ai sistemi che adottano la GMSK. Questo
aumento è ottenuto a costo di un peggioramento della probabilità
di errore sui bit trasmessi, a meno di amplificare maggiormente il segnale trasmesso
o di ridurre le dimensioni delle celle. A questo punto si potrebbe parlare anche
di Enhanced Gprs, ottenuto applicando lo stesso concetto al sistema Gprs, con
la possibilità di garantire un net throughput tre volte maggiore rispetto
ai corrispondenti valori riportati in precedenza.
Sistemi radio mobili cellulari 3G
L’attuale ente di standardizzazione ITU, nell’85 decise
di iniziare un nuovo progetto, Future Public Land Mobile Telecommunications
Systems (FPLMTS), con l’obiettivo di definire un nuovo sistema radio mobile
cellulare, a livello mondiale, per la fornitura di nuovi servizi. L’anno
successivo, il FPLMTS diventa International Mobile Telecommunications 2000 (IMT
2000), che attualmente raggruppa i diversi sistemi radio mobili cellulari 3G.
Nell’88, a livello europeo, l’ETSI promuove il progetto Research of
Advanced Communication Technologies in Europe (RACE I) dedicato all’analisi
della modulazione e della codifica per il sistema Universal Mobile Telecommunications
System (Umts). È l’inizio della fase di standardizzazione del sistema,
che porterà il 3GPP a rilasciare le specifiche tecniche per la
release ’99 il 5 novembre ’99. Questo nuovo sistema radio mobile cellulare
ridisegna i precedenti sistemi secondo l’architettura riportata nella Figura
3.
Gli User Equipment rappresenteranno uno dei principali valori
aggiunti del sistema Umts; saranno dei terminali intelligenti, tecnologicamente
avanzati, in misura enormemente superiore rispetto alle limitate funzionalità
di messaggistica e trasmissione dati dei precedenti modelli Gsm e Gprs. I prototipi
ad oggi esistenti hanno dimensioni e peso confrontabili con i precedenti modelli,
integrano display grafici a elevata risoluzione a colori e microvideocamere.
Saranno immessi sul mercato anche dei terminali Umts per servizi dati via Internet,
di dimensioni confrontabili con gli attuali palmari, dotati di tastiera, touch
pad, display grafico a elevata risoluzione a colori e interfaccia per il collegamento
al PC. Saranno inoltre presenti una varietà di terminali multimediali
con funzionalità e interfacce customizzate per le varie applicazioni.
Tra i servizi fornibili dall’Umts nella direzione della multimedialità
e dell’interattività possiamo annoverare fast Internet, videotelefonia,
videoconferenza, audio on demand, Sms ed email multimediali, e- commerce, servizi
bancari, giochi interattivi, servizi punto- multipunto e l’accesso remoto
a LAN, oppure applicazioni basate sulla localizzazione dell’utente mobile
per distribuire informazioni turistiche, servizi di navigazione e di controllo
del traffico. Per supportare questo tipo di applicazioni l’interfaccia
radio è stata completamente riprogettata per essere in grado di gestire
bit rate più elevati, supportare un traffico di tipo asimmetrico con
differenti livelli di QoS e non più solo a commutazione di circuito come
nella precedente rete Gsm.
Sarà possibile distribuire un gross throughput massimo
di 1,92 Mb/ s, 384 kb/ s oppure 144 kb/ s rispettivamente in ambienti picocellulari
(indoor and low range outdoor area) e con velocità dello UE di circa
10 km/ h, in ambienti microcellulari (indoor and low range outdoor area) con
velocità del mobile di 120 km/ h, oppure in ambienti macrocellulari (rural
outdoor/ suburban area) con velocità dell’ordine di 250 km/ h. I
valori riportati sono raggiungibili a valle del codificatore di canale (codici
convoluzionali con rate 1/ 2 e 1/ 3 oppure turbo codici con rate 1/ 3) con i
bit di ridondanza già inseriti nel bitstream. Per valutare i net throughput
massimi teorici occorrerà quindi moltiplicare i valori citati per il
rate del codice impiegato.
La Uu Interface implementa la tecnica d’accesso al mezzo
condiviso Direct Sequence Wideband Code Division Multiple Access (DS- WCDMA)
nel sistema FDD, e una tecnica ibrida Time Division CDMA (TD- CDMA) nel sistema
TDD. Le prime piattaforme installate sul territorio impiegheranno la tecnica
DS- WCDMA, che consentirà di servire simultaneamente più utenti
negli stessi 5 MHz di banda nominale (lo spettro occuperà una banda di
3,84 MHz) e di semplificare il planning frequenziale della rete perchè
sarà possibile utilizzare le stesse frequenze in tutte le celle (frequency
reuse factor uguale a 1). I segnali così trasmessi dalle varie UE e dal
B Node interferiranno totalmente, ma grazie al codice di canalizzazione, associato
alla connessione, e al codice di scrambling assegnato allo UE nell’uplink
o al B Node nel downlink, si riuscirà a cancellare perfettamente, a livello
teorico, il contributo del segnale ricevuto relativo agli altri utenti e a interpretare
correttamente l’informazione trasmessa.
All’interno dell’Umts Radio Access Network (UTRAN) si
nota l’interfaccia Iur che collega i Radio Network Controller (RNC) tra
loro. È un’interfaccia molto importante, che consente di gestire
le risorse radio (Power Control, Admission control, macro diversità,
Code allocation, handover) direttamente tra UE e UTRAN senza coinvolgere la
Core Network. La CN, come già nel Gprs, prevede due rami, uno per i servizi
a commutazione di circuito e uno per le applicazioni a commutazione di pacchetto
attraverso il 3G- SGSN e il GGSN. Come si nota dalla Figura 3, l’interfaccia
attraverso i due elementi di rete è esattamente uguale alla corrispondente
nel Gprs con la differenza che a livello di data link layer si utilizza l’Asynchronous
Transfer Mode (ATM) con gli ATM Adaptation Layer AAL2 o AAL5 e si estende il
GTP Tunnelling fino all’RNC. Il roaming globale sarà garantito e
in quest’ottica di globalizzazione, l’Umts prevede anche l’inclusione
di standard di telefonia satellitare e HAAP (High Altitude Aeronautical Platforms),
con le stesse prerogative di velocità e adattabilità della rete
terrestre, anche se, ad oggi, la definizione dei corrispondenti sistemi è
in ritardo rispetto al sistema terrestre.
Conclusioni
Si prevede in un prossimo futuro la possibilità di enormi
introiti dalla distribuzione di nuove applicazioni Umts multimediali e interattive;
l’Umts Forum ha stimato i guadagni cumulativi tra oggi e il 2010 derivanti
dall’Umts nell’ordine di 1 trilione di dollari. Sono numeri che spingono
inesorabilmente le società coinvolte nell’Information Technology
a intravvedere nei sistemi radio mobili cellulari digitali di terza generazione
una soluzione molto appetibile per estendere i
servizi offerti all’utenza fissa e per fornire nuovi servizi multimediali,
interattivi e location- based a elevati bit rate. Anche a livello di ricerca
non ci si ferma. Attualmente, nel 3GPP si sta sviluppando la Release 5 dell’Umts,
una soluzione "All IP based" in cui la commutazione a circuito viene
completamente eliminata e tutti i servizi verranno instradati utilizzando il
protocollo IPv6. L’accesso GERAN è inserito nell’architettura
di rete in parallelo all’UTRAN, la segnalazione per il Transport Network
User Plane e per il Transport Network Control Plane sarà trasmessa nei
datagrammi IP e una maggiore capacità sarà assicurata.
WIRELESS si differenzia rispetto alle pubblicazioni classiche
di Information Technology, Elettronica e Telecomunicazioni, in quanto è la prima
rivista specifica di questo settore emergente ed è caratterizzata da un’impostazione
innovativa, che unisce le tecnologie alle loro applicazioni (presenti o future),
descrivendo le prime con la necessaria rigorosità e le seconde con la giusta
dose di "vision". Per questo motivo WIRELESS offre ad ogni numero articoli dedicati
alle applicazioni nei diversi settori: Logistica, Finanza, Industria, Banche,
Sanità, Pubblica Amministrazione ecc.
"Wireless", bimestrale specializzato nelle tecnologie di trasmissione
dati senza fili, nasce per aiutare a capire cosa sarà la "wireless information
society", raccontando chi ne sono i protagonisti, quali i competitor e le strategie
in campo, anticipando scenari e ipotizzando soluzioni inedite.
La rivista "Wireless"
e' distribuita attualmente per abbonamento
ma si puo' anche trovare nelle edicole centrali di Roma e Milano e nei principali
aeroporti.
