di Carlo Colaianni

Lo studio delle problematiche di voice over IP su reti cellulari coinvolge, da diverso tempo, i principali attori dell'industria delle telecomunicazioni. Ad oggi, l'erogazione del servizio voce su IP mobile è limitata agli accessi WiFi (VoWiFi), ma l'introduzione prossima di nuove tecnologie d'accesso più efficienti, quali, ad esempio, l'HSDPA (High Speed Downlink Packet Access, con velocità teorica fino a 14,4 Mbit/s) ed HSUPA (High Speed Uplink Access, con velocità teorica fino a 5,76 Mbit/s), rappresenterà un indiscutibile beneficio per favorire l'utilizzo di soluzioni VoIP anche nelle reti cellulari.

Ma quali sono, oggi, le principali problematiche da affrontare per l'utilizzo del servizio voce sul pacchetto? Possiamo riassumerle in due categorie: qualità trasmissiva ed efficienza di banda. Iniziano dalla qualità trasmissiva.

Quando si instaura una chiamata voce utilizzando la tecnologia a circuito, si stabilisce un canale dedicato tra i due utenti che utilizzano il servizio: ciò significa che è possibile garantire una buona qualità della voce. Nella tecnologia a pacchetto, invece, la modalità di funzionamento 'connectionless' porta ad una serie di problemi per la gestione di servizi sensibili ai ritardi (e alla perdita dei pacchetti) quali la voce: basso jitter e bassi ritardi in trasmissione (dell'ordine di 150-200 ms) sono i requisiti fondamentali per garantire un buon servizio voce.

Ericsson ha prodotto un grosso sforzo per ridurre i ritardi nelle reti di accesso GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network) ed UTRAN (UMTS Radio Access Network). Simulazioni effettuate in laboratorio hanno mostrato, ad esempio, che il ritardo di trasmissione della voce è comparabile a quello della telefonia a circuito quando si utilizza un canale dedicato (DCH) per l'accesso UTRAN.

L'applicazione VoIP non solo ha impatti nel trasporto radio lato 'user piane', ma anche nella parte di controllo della chiamata (es. gestione dei tempi di set-up). Nel caso di trasporto del 'control plane' su IP, i vincoli relativi sia al ritardo end-to-end che al jitter sono meno stringenti se confrontati con i vincoli dettati dal trasporto dello 'user plane'. Ad oggi è già disponibile commercialmente la soluzione in grado di incapsulare su M3UA, SCTP ed IP diversi tipi di segnalazione relativi alla rete radiomobile sia per quanto concerne la chiamata e la localizzazione del terminale (MAP, ISUP) che per quanto riguarda il controllo degli apparati in una architettura evoluta 3G (GCP, BICC).

Ulteriori problematiche sul VoIP per il mondo mobile sono quelle connesse alla gestione della mobilità (handover) e, più in generale, alla continuità di servizio tra aree che supportano e che non supportano VoIP (copertura).

Dal punto di vista dell'efficienza di banda, invece, l'utilizzo del protocollo IP ha lo svantaggio di utilizzare un pesante overhead (40 byte per il trasporto del pay-load RTP-UDP-IPv4). In 3GPPR4, Ericsson ha guidato la standardizzazione del compressore RoHC (Robust Header Compression), che è in grado di ridurre ad un solo byte i 40 dello stack protocollare. Ciononostante, tale tecnica non raggiunge ancora i livelli di efficienza della trasmissione a circuito e presenta ancora dei problemi legati alla richiesta di allocazione variabile della banda radio per la chiamata voce, dovuti alla necessità di utilizzo di un header RoHC iniziale più grande rispetto a quello teorico.

Altro aspetto da segnalare è quello relativo all'ottimizzazione della segnalazione su IP: nell'ambito del protocollo SIP utilizzato dall'IMS (IP Multimedia System), Ericsson ha lavorato per la standardizzazione della compressione della segnalazione (Sig-Comp), con risultati fino a 10 volte più efficienti rispetto a quelli ottenuti in assenza di compressione.

A livello Core Network a circuito, infine, Ericsson è in grado di implementare meccanismi di efficienza trasmissiva e di ottimizzazione della qualità della voce attraverso una soluzione di Mobile Softswitch che utilizza tecniche di Transcoder Free Operation (TrFO, in cui le operazioni di codifica/decodifica avvengono direttamente sul terminale senza coinvolgere la rete) e Tandem Free Operation (TFO, con il quale è possibile bypassare le operazioni di transcodifica facendo viaggiare la voce compressa sui link PCM). Con tali tecniche, l'efficienza di banda della trasmissione su backbone IP è fino a tre volte superiore quella che utilizza un backbone TDM.

VoIP e l'Accesso WCDMA: la tecnologia HSDPA

La tecnologia di accesso HSDPA/HSUPA favorisce indubbiamente l'utilizzo di applicazioni VoIP su accessi WCDMA utilizzando efficienti algoritmi di schedulazione dei pacchetti (sul canale comune), intervalli di trasmissione contenuti (2 ms) e meccanismi ottimizzati di gestione della qualità del servizio.

L'algoritmo di scheduling è fondamentale per ottimizzare la capacità trasmissiva sulla tratta radio, assicurando il livello di QoS richiesto. Ericsson ha realizzato alcune simulazioni di VoIP su HSDPA utilizzando differenti schedulatori, l'algoritmo di compressione RoHC ed il codec AMR 7.95 con il 40% di 'activity factor'. La figura sottostante mostra le performance dello schedulatore denominato 'Delay Scheduler' con il quale l'assegnazione del canale viene effettuata compensando costantemente la qualità fruita con i ritardi subiti dall'utente.

Come si può notare, all'aumentare del ritardo gestibile, aumenta il numero di utenti che possono essere serviti in quella cella (per un ritardo pari a 150ms la capacità del servizio VoIP è equivalente a quella del circuito).

Dal punto di vista dei servizi, possiamo dire che mentre la voce rappresenta il punto di partenza (nonché il cardine) per lo sviluppo delle architetture di reti cellulari a circuito, essa può essere considerata, insieme a tutte le altre tipologie di traffico conversazionale, il punto di arrivo per tutto ciò che riguarda le architetture mobili a pacchetto.

L'idea che sta alla base delle comunicazioni multimediali di tipo person-to-person è, infatti, quella di arricchire l'esperienza dell'utente con situazioni che vanno al di là della semplice conversazione. L'architettura dell'IMS, standardizzata in ambito 3GPP/TISPAN, intende per l'appunto coprire questi nuovi scenari di comunicazione tra utenti dando loro la possibilità di 'aggiungere' ai servizi person-to person oggi già fruibili (la voce, ovviamente, ma anche messaggi, videochiamate, etc), i servizi tipici di una comunicazione a pacchetto (es. file/media/image/video sharing, presenza, streaming, etc).

Per rendere tutto questo possibile fin da oggi (ovvero la coesistenza dei servizi real-time come la voce con i 'nuovi' servizi a pacchetto dell'IMS), Ericsson ha sviluppato l'idea dei cosiddetti servizi 'combinazionali', ovvero servizi che sfruttano contemporaneamente il bearer a circuito per la voce e quello a pacchetto per i dati dell'IMS. Si ritiene che questo sia uno step fondamentale di raccordo tra la tecnologia 'legacy' basata su circuito ed una tecnologia di tipo 'AII-IP' che potrà essere matura solo quando le limitazioni esposte sopra per VoIP wireless saranno definitivamente superate e gli enti di standardizzazione, nonché l'industria, avranno manifestato una volontà comune a convergere verso un unico tipo di soluzione (architetturale e di servizio) basata su pacchetto.

Ad esempio, se prendiamo in esame la tipologia dei servizi 'combinazionali' che Ericsson chiama "WeShare", è possibile già oggi (su accessi WCDMA e anche su GSM/GPRS con la commercializzazione di terminali DTM — Dual Transfer Mode -), iniziare una normale chiamata a circuito e, allo stesso tempo, convidere fotografie, file audio, video (registrati o 'live'), lavagne elettroniche etc. con un'altra persona, sfruttando le risorse della rete IMS.

Dal punto di vista del servizio, il salto tecnologico per il passaggio da voce basata su circuito a VoIP potrà essere realizzato in maniera trasparente per l'utente secondo i tempi e le esigenze dell'operatore, essendo la rete IMS chiaramente già idonea al trasporto di tale tipo di traffico (il servizio VoIP basato su IMS Ericsson è già disponibile ed ampiamente collaudato per l'accesso fisso/WLAN).

Dal punto di vista dell'interlavoro con altre reti, è possibile già oggi rendere questo servizio (ed altri) fruibile anche da accessi fissi di tipo broadband (ovvero, per usare un termine molto in voga negli ultimi tempi, convergente) qualora si pensi ad un'unica infrastruttura di erogazione del servizio (l'IMS) in cui la componente voce è convertita da circuito a pacchetto attraverso l'architettura softswitch dell'IMS (MGCF - Media Gateway Control Function- e MGW - Media Gateway-).

C'è da dire, infine, che soluzioni IMS VoIP che utilizzano traffico voce non real-time sono già presenti presso gli operatori che hanno già introdotto (o sono in procinto di farlo) il servizio Push-To-Talk (PoC), standardizzato in ambito OMA (Open Mobile Alliance). Questo servizio, che consente un tipo di comunicazione 1-1 ed 1-N di tipo half-duplex, richiede una qualità di servizio streaming o interactive (ovvero i bearers a pacchetto già disponibili) e sfrutta le risorse comuni della rete IMS (presenza, group management, conferenziatore, charging, O&M, etc).

II servizio VoIP over Wireless necessita di una buona efficienza spettrale e di un'alta qualità per la voce. Ciò implica l'introduzione, nelle reti di accesso mobile, di meccanismi che ottimizzino, da una parte, l'utilizzo di banda (es. meccanismi di compressione dell'header e della segnalazione, l'introduzione di HSDPA/HSUPA su WCDMA, etc.) e dall'altra, i ritardi di trasmissione e la varianza, (oltre al focus su HSDPA/HSUPA, Ericsson ha sviluppato numerose funzionalità sui nodi della parte radio per contenere i delay nella catena end-to-end).

Diversi sono, ad oggi, il lavori ancora aperti in ambito standardizzazione 3GPP al fine di uniformare l'approccio alla risoluzione delle problematiche relative all'erogazione del servizio voce e, in genere, dei servizi di tipo real-time su pacchetto.

Ericsson crede che uno sforzo congiunto degli enti di standardizzazione, dell'industria (dove un ruolo chiave è giocato dai costruttori di terminali) e degli operatori del settore, potrà effettivamente accelerare la commercializzazione del servizio VoIP su wireless superando alcuni ostacoli (non solo di natura tecnologica) che, almeno oggi, non favoriscono la diffusione di un servizio di qualità su larga scala.

Dal punto di vista dell'infrastruttura di rete a pacchetto a supporto del VoIP, Ericsson ritiene che l'IMS sia la scelta necessaria per l'erogazione ottimale, in genere, di qualunque servizio person-to-person su pacchetto e, allo stesso tempo, punta oggi a soluzioni combinate (voce a circuito - ottimizzabile su trasporto IP attraverso tecniche TFO/TrFO -, dati su IMS) come step necessario a gestire la transizione delle reti 'legacy' a circuito verso i servizi VoIP e, più in generale, verso l'AII-IP.

(Ndr: ripreso da "I quaderni di Telèma"della rivista Media Duemila-settembre 2005)