Ci avviciniamo al 4g:
la convergenza delle tecnologie digitali

La sigla utilizzata dagli esperti e degli addetti al lavoro è "4G". Per tutti gli altri si può parlare, guardando la storia, di "Quarta generazione". Espressione al momento vaga, che trova peraltro sostanza nelle sperimentazioni in corso, che delineano nuovi scenari con l'integrazione di singole tecnologie, oggi applicate in ambienti e servizi diversi.

Le tecnologie esistenti sono conosciute attraverso un ventaglio di sigle. Si va dal wi-fi al Gprs, al Edge, al Umts al wi-max. Il loro utilizzo porta alla connessione (ovunque e in ogni momento) con una rete generale di telecomunicazioni per servizi diversi (dalla localizzazione dell'utente all'accesso a specifici servizi). La prospettiva operativa è supportata dalla possibilità di avere un accesso a banda larga, sia come utente fisso, sia come utente in mobilità.

Le innovazioni sono incessanti. La prima generazione è nota in Italia, come "sistema Tacs" (sistema mobile analogico), il telefono mobile degli anni ottanta.

La seconda generazione è il "Gsm": utilizza il sistema di trasmissione digitale, che permette di far "passare" anche i cosiddetti "messaggini", ampiamente sviluppatesi negli anni novanta.

La terza generazione ha il suo perno nell'Umts, il sistema di trasmissione digitale, che amplia le capacità operative di trasmissione dati. Con l'Umts vengono introdotte anche le video chiamate. E' il duemila che incalza!

Ed ora siamo al 4G, alla possibilità di sperimentare opportuni mix di tecnologie esistenti. Alla base delle innovazioni l'accresciuta possibilità di trasmettere dati. Il che permette (e permetterà maggiormente in futuro) di fornire e distribuire servizi in molteplici settori, fra i quali quelli assimilabili al servizio televisivo, anche in mobilità.

Il "Quaderno", con le analisi di esperti e di operatori, racconta quest'evoluzione e illustra i progetti in via di sperimentazione. Le prospettive sono stimolanti.

Immaginare il mondo delle TLC dei prossimi anni è un'impresa ardua data la velocità con la quale cambia la tecnologia. Le continue e diverse offerte di mercato, conseguenti alle modificazioni della stessa tecnologia, sollecitano l'interesse degli utenti in varie direzioni; oggi si pianifica a tempi cortissimi, osservando le risposte del mercato.

In questo quadro, ipotizzare lo sviluppo di una tecnologia a scapito di altre non sembra un processo evolutivo realistico: dall'integrazione di varie tecnologie e di servizi diversi potranno nascere "prodotti" fruibili a basso costo e di qualità; gli utenti si aspettano proprio questo; di contro, gli operatori potranno vedere gli utili crescere, non difendendo i loro margini di guadagno sui singoli servizi, ma sfruttando le sinergie tra mercati di servizi alternativi o complementari, anche concorrenziali, che comporteranno sicuramente la crescita di traffico ad ogni livello di rete, se l'offerta è ben costruita nella sua complessità.

In questo contesto si inseriscono le iniziative di ricerca e sperimentazione che la Fondazione Ugo Bordoni, unitamente a collaborazioni di primaria importanza e a consulenti di rilievo mondiale, intende sviluppare all'interno del progetto RAIN.

Le reti mobili tradizionali, cosiddette di seconda generazione (2G) e ampiamente diffuse anche nel nostro paese al punto da avere un numero di utenti attualmente superiore alle reti di tipo fisso, sono reti utilizzate per lo più per la trasmissione di voce e caratterizzate da una commutazione a circuito. All'utente che richiede il servizio viene perciò assegnato una connessione in modo permanente per l'intera durata della fruizione della comunicazione; l'ovvia conseguenza è che il pagamento viene rapportato al tempo per il quale tale circuito è stato reso disponibile, cioè più tempo si sta al telefono e più si paga.

L'evoluzione di questo tipo di reti, identificata con la sigla 2.5G, ha mantenuto le precedenti caratteristiche per le comunicazioni vocali, ma ha altresì introdotto, per le comunicazioni dati, una nuova modalità di trasmissione, denominata "a pacchetto", in quanto spezzetta il flusso dati in tante piccole porzioni, i pacchetti appunto.

Tale tecnologia consente di sfruttare meglio la banda messa a disposizione, perché il canale utilizzato viene effettivamente occupato solo per il tempo strettamente necessario (aumentato cioè di una frazione marginale rispetto a quello di effettivo invio di dati) alla comunicazione e viene rilasciato non appena tale utilizzo cessa, rendendolo quindi disponibile per l'uso da parte di un diverso utente. Naturalmente, per questo tipo di comunicazioni è necessario applicare una tariffazione non più basata sul tempo per il quale si è richiesto il servizio (ciò comprenderebbe larghe fette di tempo in cui non si è occupata alcuna risorsa) bensì sul volume di dati che sono stati trasmessi.

di Dario Di Zenobio

Il progetto RAIN è un progetto di ricerca che ha l'obiettivo di studiare: in una prima macrofase l'integrazione di servizi e la possibilità di convergenza tra diverse tecnologie: telefonia fissa e mobile, tra queste e la tecnologia della televisione digitale terrestre (TDT), etc.; in una seconda macrofase lo sviluppo della tecnologia mobile verso la quarta generazione tenendo conto della possibilità di adottare nuovi metodi di assegnazione di frequenze, orientati più alla condivisione (commons) che all'assegnazione in modo esclusivo; in questo modo si potranno ottenere due risultati: la decongestione delle bande oggi dedicate a servizi tradizionali, quale quella televisiva analogica, e sistemi di distribuzione di segnali digitali più efficienti, potendo questi operare con nuovi standards tecnologici.

Il progetto ha origine dall'idea di fornire all'utente un ampio spettro di servizi ad alta qualità, usando soluzioni di rete radio di rapida implementazione, nei diversi ambienti geografici. In esso si prevede l'accesso ad ogni tipo di servizio; dati o TLC, mediante l'uso di una sola piattaforma, costruita con tecnologie consolidate e aperta a futuri sviluppi.

Nel sistema RAIN sia la tecnologia wireless sia quella TDT convergono in un sistema integrato radio "cellulare", operante a frequenze inferiori ai 6 GHz, nel rispetto delle regole e dell'ambiente.

Le tecnologie wireless quali il satellite, il Wi-Fi, il WiMax, il WLL e la TDT sono adatte a fornire connettività a banda larga in aree economicamente non appetibili o scomode per gli operatori di telecomunicazioni tradizionali, costituendo di fatto "l'unica soluzione" per le aree disagiate e a minor reddito, ovvero l'alternativa tecnica per ridurre il digital divide.

Ognuna delle tecnologie citate ha caratteristiche uniche, qualità e potenzialità che permettono di soddisfare le esigenze di diversi servizi (sensibilità al ritardo, sensibilità agli errori di trasmissione, ecc...) ed esse verranno opportunamente utilizzate, all'interno della rete RAIN, per garantire il miglior risultato.

A differenza della maggior parte delle reti TDT che attualmente operano nel mondo, che implementano l'interattività su una rete fisica separata (ad esempio: PSTN o ISDN), l'architettura innovativa di RAIN è caratterizzata da servizi interattivi (ad esempio: Near Video on Demand, Internet veloce, ecc...) integrati nel sistema radio TDT "cellulare". Questo approccio permette alla rete RAIN di essere connessa senza soluzione di continuità ad operatori telco od altri operatori, attraverso interfacce standard ed utilizzando apparati a basso costo.

L'adozione di apparati condominiali specifici (tecnologia "Cabled-Wireless", di seguito CW, brevetto FUB), per estendere con qualità predefinita la copertura radio all'interno di edifici abitativi, ed il riuso di impianti esistenti MATV/SMATV consentono una sostanziale riduzione della potenza sia dalla stazione base sia dal terminale utente. Infatti, apparati condominiali in testa all'edificio possono operare come "gap fillers" sia per il canale di "downlink" che per quello interattivo. Inoltre, l'impiego di tecnologia wireless a frequenze inferiori ai 6 GHz, in una configurazione innovativa, come prevista dal progetto RAIN, permetterà di avere una rete interattiva ad alta velocità e basso costo, usufruendo della tecnologia consolidata TDT.

In attesa di utilizzare nuove tecnologie a grande capacità, oggi solo in studio (IEEE 802.16e/h, IEEE 802.20, etc.), che promettono di rivoluzionare lo scenario dei servizi per reti mobili e fisse, l'architettura RAIN basata su tecnologie consolidate rappresenta una soluzione integrata (down-up) in grado di rivoluzionare sin da ora il modo di concepire le reti di distribuzione e di proporre i servizi. La soluzione proposta non è legata ad una tecnologia ma piuttosto all'utilizzo di microcelle combinate con una rete "feeder" particolare: quella della radiodiffusione televisiva. In parte tale esperienza è stata già maturata nel progetto Terra ma in RAIN, potendo operare in alcune bande di frequenza quali quelle UHF, che permettono una grande penetrazione nel territorio e possibilità di usare "gap fillers" a basso costo, si aprono scenari architetturali, applicativi e tecnici non esplorati precedentemente. Dunque, una struttura di rete radio poco impattante, leggera, di facile ed immediata realizzazione, in grado di soddisfare le aspettative degli operatori e degli utenti più esigenti, di garantire pieno accesso ai servizi già esistenti o di nuova concezione, di movimentare il mercato "consumer" per i terminali d'utente e di offrire nuove possibilità ai costruttori di apparati professionali di rete TLC.

Le modalità operative per raggiungere i risultati prefissati prevedono lo svolgimento di due fasi, parallele e/o sequenziali, che in modo organico andranno a comporre il corpo del progetto nel corso del tempo. Vediamo quale svolgimento si prevede per queste fasi.

II progetto Rain include attività indirizzate allo sviluppo del 4G. Al momento, dire cosa in realtà questo 4G sarà, è impresa ardua.

Secondo la visione dei principali paesi orientali il 4G dovrebbe essere introdotto sul mercato entro il 2010 e dovrebbe avere velocità di trasmissione almeno 260 volte più rapide delle attuali reti 3G: fino a 20 megabytes al secondo per l'uplink e a 100 megabytes al secondo per il downlink, ossia l'equivalente delle comunicazioni in fibra ottica.

Già ad aprile di quest'anno, la Cina, il Giappone e la Corea del Sud, hanno annunciato il loro impegno comune verso la creazione di un protocollo comune per gli apparecchi di quarta generazione che prevede, appunto, l'uso della stessa frequenza di banda (3,4-4,9 GHz).

I tre Paesi manterranno una posizione chiaramente unitaria anche nell'ambito delle varie conferenze internazionali in programma per stabilire l'uso globale delle frequenze: un punto cruciale per la diffusione dei servizi di quarta generazione.

La decisone riguardo la frequenza di banda da usare per il 4G dovrebbe infatti essere presa dall'ITU (International Telecommunication Union) entro il 2007.

Selezionare una banda che metta d'accordo tutti, però, sarà un processo non facile dal momento che si prevede che ogni nazione insisterà per imporre la propria frequenza privilegiata.

La quarta generazione dovrebbe essere il giusto mix tra 3G e Wi-Fi, dal momento che i 2 sistemi - allo stato attuale - non soddisfano appieno le esigenze delle diverse fasce di utenti: il 3G ha appena superato ritardi e carenze tecniche e comincia ora a fare i primi passi sul mercato, mentre il Wi-Fi ha una portata troppo limitata per essere considerato una valida alternativa e anche in questo caso si parla già di nuova generazione, ovvero il WiMax.

Il Giappone, dal canto suo, è leader mondiale nelle tecnologie connesse al protocollo Ipv6 e spera di renderlo uno standard globale nei prossimi anni.

Attualmente Internet utilizza il protocollo Ipv4, ma il lancio delle nuove generazioni di telefoni cellulari - in seguito al quale si prevede una crescita esponenziale di richieste di nuovi identificativi virtuali online - rende più urgente il passaggio al nuovo protocollo Ipv6.

Il protocollo Ipv6, infatti, sarà in grado di assicurare un numero quasi infinito di possibilità e potrebbe rivelarsi la vera killer application della quarta generazione, capace di trasformare radicalmente il business della telefonia mobile, creando un ambiente wireless IP in cui si muovono e comunicano non solo cellulari, ma anche palmari, computer, notebook e tutto quanto consente la comunicazione a banda larga in mobilità.

Gli apparecchi dovrebbero anche consentire agli utenti di visualizzare immagini ad alta definizione (del tipo televisivo) persino, ad esempio, sui treni ad alta velocità.

In conclusione, ancora una visione focalizzata sullo sviluppo di una nuova tecnologia che possa essere compatibile all'indietro con alcune già mature, ma certamente non una visione più aperta di "convergenza di tecnologie", con estensione delle prestazioni di velocità dati e di qualità di servizio.

Gli americani hanno una prospettiva diversa.

Innanzitutto stanno puntando decisamente ad un uso potenziato ed esteso del Wi-Fi.

La FCC (Federal Communications Commission), l'Autorità delle telecomunicazioni statunitense, ha deciso di rendere disponibili le frequenze televisive per i nuovi servizi di comunicazione wireless (draft standard IEEE 802.22). Contro la netta contrapposizione dei maggiori network televisivi, che temono che questo uso delle frequenze possa disturbare il loro segnale, l'Authority Usa ha votato la proposta di dare un altro uso allo spazio buffer tra le frequenze televisive, dal momento che i nuovi servizi non causerebbero interferenze ai broadcaster televisivi e ai telespettatori.

Questo numero maggiore di frequenze va nella direzione di soddisfare la domanda dei servizi Internet Wi-Fi, che attualmente permettono le connessioni alla Rete in alcuni specifici spazi, come gli aeroporti, le stazioni ferroviarie, e i coffeshop. Si andrà inoltre incontro alle aspettative degli utenti che disporranno di un'alternativa radio per l'accesso ad internet oltre a quelle offerte dai fornitori di banda larga via cavo e dagli operatori di rete fissa.

L'industria del wireless, specie Intel, è ansiosa di ottenere un accesso a maggiori frequenze per aumentare l'offerta dei propri servizi e gli accessi Internet a banda larga.

Lo spettro Tv, frequenze sotto i 900 MHz, è uno spazio alquanto ambito perché i segnali possono facilmente penetrare le costruzioni e altri tipi di ostacoli.

La proposta della FCC permetterebbe ai dispostivi low-power sprovvisti di licenza, come le carte di connessioni Wi-Fi per i laptop, le tastiere wireless e i router di rete di usare quello che è conosciuto come "white space" tra i canali di trasmissione 5-51 (la maggior parte dei canali di trasmissione sono separati da uno spazio di spettro che limita le interferenze tra le stazioni). Alle critiche ed opposizioni degli operatori TV, la FCC risponde che l'interferenza tra i due servizi sarà minima grazie all'utilizzo della cosiddetta tecnologia radio cognitiva, conosciuta anche come "smart radio".

In altre parole i trasmettitori dovrebbero essere dotati di Transmit Power Control (TPC) e di Dynamic Frequency Selection (DFS).

Questa proposta rivoluzionaria arriva in un momento particolarmente delicato: quello della transizione verso la Tv digitale, con possibilità di bloccare un processo avviato o di accelerarlo per un rapido utilizzo dello spectrum dividend (riuso delle bande televisive che saranno liberate grazie alla transizione da analogico a digitale).

Perplessità, dunque, esistono sulla opportunità di permettere operazioni senza licenza nelle bande televisive non utilizzate prima che sia completato lo switch-offalla Tv digitale.

D'altronde alcuni osservatori del settore, ritengono che i broadcaster nazionali della televisione non riusciranno a rispettare la data ultima del 2006 per lo switch-off, col conseguente ritardo dell'attivazione della banda larga wireless che dovrebbe trarre vantaggio dallo spectrum dividend.

I broadcaster, dalla loro, hanno presentato una petizione contro la FCC, perché rimandi l'uso del white space da parte dei dispostivi wireless.

Tutto questo lascia immaginare quali problemi e prospettive comporti una decisione in tal senso, in USA come in Europa, in particolare in Italia.

Al di là di questa impostazione molto finalizzata alle WLAN e loro applicazioni, per il 4G esistono visioni contrastanti e differenziate per cui è difficile riassumerle in una prospettiva USA comune.

Se uno sforzo di integrazione di visioni diverse va fatto, cerchiamo di farlo arrivando ad una definizione di quello che dovrebbe essere il 4G sulla base delle affermazioni dei vari esperti che si stanno occupando del "beyond il 3G", mettendo " a fattor comune" le caratteristiche di servizio e le prestazioni attese nelle singole visioni.

La comunicazione mobile wireless ha normalmente un ciclo evolutivo della durata di dieci anni: cinque anni per la fase di ricerca e sviluppo, ed altri cinque anni per la fase di implementazione ed installazione. Mentre la terza generazione inizia ad affacciarsi nel mondo, è già partita la ricerca sulla generazione successiva della tecnologia mobile.

Il Fourth-Generation Mobile Forum (4GMF) ha dato inizio alla fase di ricerca e sviluppo sul tema di cosa ci aspetta "oltre la terza generazione"("beyond3G").

Internet ha fornito una notevole spinta allo sviluppo tecnologico delle comunicazioni mobili poiché la tecnologia GSM, incentrata sul trasporto della voce, non ha grandi capacità di supportare il valore aggiunto rappresentato dal traffico internet.

L'obiettivo della terza generazione della tecnologia wireless è molto chiaro; estendere il traffico internet ai terminali mobili e rendere Internet "senza filo".

Quindi, la più importante novità introdotta dal 3G è la interfaccia radio chiamata Radio Transmission Technology (RTT), in grado di supportare trasmissioni ad alta velocità su collegamenti radio.

Comunque, quando la gente immagina un futuro senza fili, viene spontanea la domanda: esistono bande di frequenza disponibili ad accogliere tutti i servizi che possono godere della tecnologia radio?

Da tutto il mondo, ogni settimana, abbiamo un nuovo standard per le comunicazioni wireless, sia esso internazionale, nazionale o solo locale.

La convergenza tra le diverse tecnologie di accesso riduce ovviamente la richiesta di nuove bande.

I terminali mobili di prossima generazione (4G o "Beyond 3G"), potrebbero essere dispositivi di comunicazione radio a larga banda, multi-frequenza, multi-standard, multi-modo e multi-media, con intelligenza centralizzata. Se si è in ufficio, a casa, all'aeroporto, al centro commerciale, etc., il terminale d'utente si connetterà automaticamente alla rete d'accesso a larga banda wireless a corto raggio (WLAN, etc.) per garantire una connessione senza filo ad alta velocità. Se si è in movimento e queste reti d'accesso WLAN sono inefficienti, si sarà automaticamente connessi alle reti per comunicazioni mobili.

Questa convergenza tra sistemi wireless ha, di conseguenza, i seguenti benefici:

• migliora l'utilizzo dello spettro con tecniche di condivisione e riuso;

• maggiore capacità (bit/sec all'utente);

• numerazione integrata, billing e sicurezza;

• uso completo delle risorse fornite dalle reti wireless;

• comunicazioni Internet wireless garantite.

La penetrazione di Internet tramite connessione fissa sta crescendo in parallelo con quella radio. Per questo, a causa del futuro ruolo dominante del traffico dati e delle applicazioni basate su IP, reti e sistemi dovranno essere progettati per consentire un più economico trasferimento di pacchetti dati.

A tal proposito, il 4G Mobile dovrebbe essere implementato integrando tecnologie wireless emergenti, basate su protocollo IP (possibilmente Ipv6), in una piattaforma comune flessibile ed espandibile, per garantire una molteplicità di applicazioni e servizi, attuali e futuri, usufruibili con un singolo terminale d'utente.

Da una parte, dunque, la convergenza di tecnologie potrebbe mitigare il problema dell'individuazione di risorse di frequenza, dall'altra si rende necessario un approccio diverso all'utilizzo delle bande di frequenza con possibilità di riuso e di uso condiviso delle stesse, con assegnazione dinamica e con tecnologie smart radio, come prima detto.

Per garantire la qualità del servizio (QoS) wireless ed un efficiente impiego dello spettro radio, è necessario individuare, in particolare, una soluzione per l'allocazione dinamica della banda (Dynamic Bandwidth Allocation - DBA).

Tale soluzione in generale dovrebbe aiutare a:

• supportare le classi di servizi offerti;

• fornire supporto diagnostico a tutti i protocolli di rete;

• eliminare la necessità di controllare la conformazione del traffico ed i parametri d'utente;

• eliminare i pacchetti end-to-end e/o la variazione dei ritardi di cella;

• migliorare l'utilizzazione dello spettro.

L'approccio micro-pico cellulare risulta condizione necessaria per la realizzazione di una rete che possa avere le caratteristiche prima ipotizzate per il 4G. Infatti la garanzia di copertura radio necessaria ad assicurare la qualità dei servizi richiede un' infrastruttura di rete "multi-sphere", secondo un approccio americano (visione "Delson Group"), o multi-livello, secondo un approccio europeo originato da un'idea della Fondazione Ugo Bordoni nel lontano 1989 e perfezionato nel tempo col progetto europeo del 1998 denominato CABSINET, sviluppato sotto la direzione tecnica della stessa Fondazione.

Da un punto di vista tecnologico, il passaggio dal sistema GSM a quello che viene comunemente definito come 3G dovrebbe essere considerato più come una "evoluzione" che non come una "rivoluzione", dal momento che ciò comporta la sostituzione (nel tempo) di un'infrastruttura con un'altra dalle prestazioni più marcate. Diverso è invece il passaggio dalla seconda/terza generazione (che in pratica coesisteranno) alla quarta, in cui si immagina la presenza di un insieme di tecnologie di accesso che per l'utilizzatore risulteranno completamente trasparenti. Questo rappresenterà una svolta anche concettuale nel modo di erogare il servizio, che dovrà essere effettivamente indipendente dalla infrastruttura di accesso, garantendone la fornitura anche nel passaggio da una infrastruttura ad un'altra.

Quando si parla di sistema mobile di quarta generazione, infatti, si intende un insieme di reti radio in grado di fornire accesso a servizi basati sul protocollo DP. In questo contesto la funzionalità di "rooming" è fondamentale per far si che gli utilizzatori siano sempre connessi alla rete che fornisce le prestazioni migliori. Lo scenario futuro che è possibile ipotizzare prevede l'impiego del 3G in aree urbane e suburbane densamente popolate allo scopo di fornire velocità dati più elevate e di conseguenza servizi migliori.

Allo stesso tempo, laddove si dovesse presentare una congestione del servizio a causa dell'alta densità di utilizzatori, la presenza di wireless LAN (WLAN) potrebbe fornire un rinforzo ai servizi 2G/3G offrendo, mediante opportune soluzioni di accesso, gli stessi servizi ed anche una maggiore larghezza di banda. Altre tecnologie con caratteristiche di buon compromesso tra area di copertura e capacità dati, come per esempio le reti satellitari o le reti di accesso wireless tra punti fissi (ad es. IEEE 802.16) e le PAN (Bluetooth, 802.15), potrebbero ulteriormente completare la copertura del servizio.

In ogni caso c'è una tendenza generale da parte dell'industria di migrare verso reti basate sul protocollo IP il quale, essendo una tecnologia indipendente, può operare su qualsiasi piattaforma di accesso, fungendo quindi da "collante" tra le diverse tecnologie radio.

Per questo motivo una rete che utilizza il protocollo IP e combina diverse reti di accesso viene comunemente indicata come rete 4G.

In quest'ottica, non vi è dubbio che il "Mobile IP" rappresenti la chiave di volta del 4G. Tecnicamente, Mobile IP è un'estensione del protocollo IP studiata per la gestione del traffico Internet da parte dei dispositivi mobili, dato che l'architettura IP prevede che un "host" abbia un punto fisso di connessione alla rete - gli indirizzi IP rappresentano infatti una topologia - e tale condizione non è accettabile in un ambiente mobile. Mobile IP risolve il problema adottando due indirizzi: uno fisso (home address) che vale nella rete di appartenenza e l'altro (care-of address) che vale al di fuori di essa ed identifica la "posizione" del dispositivo mobile, cambiando ogni volta che questo passa da una rete ad un’altra. Questo meccanismo presuppone un continuo scambio di informazioni, basato sul protocollo ICMP (Internet Control Message Protocol), tra il dispositivo mobile e la rete "originale" di appartenenza, in modo da mantenere sempre aggiornata l'associazione fra l'home address ed il care-of address del momento.

Ogni volta che vengono inviate informazioni ad un dispositivo mobile viene specificato l'indirizzo IP classico (l'home address) dell'host, demandando alla rete di appartenenza il compito di convenirlo nel care-of address corretto, per poi trasferire le stesse informazioni verso altre reti, utilizzando sistemi di "attraversamento delle tecnologie" (tunneling). Questa procedura dovrebbe essere semplificata con l'adozione di IPv6, che è oltretutto utile a gestire il numero potenzialmente esplosivo di dispositivi mobili, e di alcune sue estensioni ulteriori, come Mobile IPv6 e Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6). Quest'ultimo, in particolare, adotta due meccanismi diversi: il classico Mobile IP se si passa da una rete ad un'altra; uno schema più efficiente se si rimane nella copertura della medesima rete.

Relativamente alle tecnologie sottostanti lo strato IP il dibattito è aperto.

L'anello di congiunzione tra il mondo dei cellulari e quello LAN potrebbe essere rappresentato dalla tecnica di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), la quale opera convertendo un flusso di dati ad alta velocità in più flussi paralleli che viaggiano a frequenze diverse, riuscendo a contrastare i problemi (interferenze di percorso, effetto doppler, inaffidabilità del "canale", ecc.) della comunicazione dati wireless a livello fisico più di quanto non facciano CDMA e derivati, tanto che alcuni carrier stanno pensando di utilizzare l'OFDM come tecnologia di accesso radiomobile.

A credere molto nella crescita dell'OFDM sono soprattutto le aziende che fanno parte del consorzio WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access), una sorta di Wi-Fi Alliance per le reti metropolitane, il cui scopo è spingere la diffusione di soluzioni basate sul protocollo IEEE 802.16.

Di maggiore interesse per gli utenti mobili saranno i frutti del lavoro che è recentemente iniziato sull'emendamento 802.16e dello standard, il quale definisce le estensioni mobili all'802.16, originariamente limitato ai dispositivi fissi, nella banda 2-6 GHz.

Di seguito si riporta una breve descrizione delle tecnologie che, oltre quelle "mature" (Wi-Fi, UMTS,etc.), potrebbero essere implementate sulle reti di quarta generazione.

HiperLAN

Lo standard HiperLAN (High Performance Radio LAN) sviluppato dall'ETSI, definisce le specifiche dei livelli MAC e fisico per reti wireless operanti nella banda intorno ai 5 Ghz. Disponibile in varie versioni, è una tecnologia LAN senza fili ad alta velocità e di nuova generazione, che offre all'utente finale un throughput fino a 25 Mbps.

La prima versione HiperLAN/1 non ha riscosso molto successo, principalmente a causa dell'utilizzo di un protocollo "connectionless" per l'accesso al mezzo ed utilizza la modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), ben nota e diffusamente utilizzata nelle reti cellulari GSM (Global System for Mobile Communications).

Per contro, l'HiperLAN/2, lavora nella banda di frequenza intorno ai 5 GHz implementando la tecnica di modulazione OFDM che impone il superamento di significative difficoltà tecniche. Sviluppato dall'organizzazione Hiperlan/2 Global Forum (H2GF), opera nella banda dei 5 GHz con un data rate fino a 54 Mbps, utilizzando un protocollo "connection-oriented" per l'accesso al mezzo wireless basato sullo schema TDMA/TDD (Time Division Multiple Access/Time Division Multiplexing), attraverso il quale le risorse vengono distribuite da un'entità principale (che di solito è rappresentata da un Access Point) su richiesta delle varie stazioni. In futuro è prevista l'introduzione di tecniche di miglioramento delle qualità del servizio che saranno particolarmente importanti per applicazioni come il video e la voce.

Il limite di potenza massimo consentito da questa categoria di apparati è di 1W (30dBm mean EIRP) all'interno della banda 5.470-5.725 GHz. I sistemi HiperLAN sono utilizzabili in Europa perché sono conformi allo standard 802. 11h, simile allo 802.11a, a parte il fatto che l’802.11h include il TPC (Transmit Power Control), che evita l'emissione di più potenza radio di quanto serva, e la DFS (Dynamic Frequency Selection), che permette al dispositivo di ascoltare quello che sta succedendo nell'etere prima di scegliere un qualsiasi canale su cui trasmettere. TPC e DFS sono requisiti europei obbligatori ed evitano alle HiperLAN di disturbare i dispositivi che operano alle stesse frequenze.

WiMax

Lo standard IEEE 802.16, meglio noto con il nome WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), potrebbe rappresentare una vera rivoluzione nel mondo delle comunicazioni, in quanto renderà possibile la realizzazione di reti senza fili a banda larga con topologia punto-multipunto aventi una estensione metropolitana (la portata massima dichiarata è di circa 50 km), caratterizzata da una velocità di trasmissione fino a 75 Mbps utilizzando una canalizzazione di 1.75, 3.5, 7, 14, 28 MHz. Le aspettative nate intorno a questa tecnologia sono molto ambiziose, anche in considerazione dell'opportunità di poter offrire prestazioni estremamente competitive e vantaggiose, in termini di costi, rispetto a soluzioni cablate come l'ADSL, consentendo così di scavalcare l'ormai annoso problema (praticamente irrisolto) del cosiddetto "ultimo miglio", cioè quel tratto di rete telefonica fissa che dalla centrale raggiunge la casa dell'utente. Rispetto alle soluzioni WLL (Wireless Local Loop) esistenti, utilizza frequenze più basse (tra i 2 e gli 11 GHz) che non richiedono la presenza di visibilità ottica tra stazione trasmittente e ricevente, rendendo quindi possibile una copertura di tipo cellulare del territorio. Inoltre, anche se al momento l'applicazione principale ipotizzata è quella di accesso fisso (senza trascurare la possibile funzione di backhaul, cioè di congiunzione di una dorsale ad un punto di accesso), le evoluzioni già previste dello standard consentiranno a breve di supportare anche accessi di tipo nomadico e, successivamente, un certo livello di mobilità (con l'802.16e si potrà restare connessi alla rete anche nel momento in cui ci si reca da una "hot zone" WiMax ad un'altra).

Lo schema di modulazione previsto nello standard è basato sull'impiego della tecnica OFDM/OFDMA a 256/2048 sottoportanti, grazie alla sua robustezza al multipath ed alla compatibilita con soluzioni "fixed wireless" definite dall'ETSI in Europa. Inoltre, il WiMax è in grado di supportare simultaneamente servizi multipli con una QoS (Quality of Service) completa, consentendo il trasporto di tutti i principali protocolli di rete in modo molto efficiente (Ipv4, Ipv6, Ethernet, ATM, ecc.).

Dal momento che si tratta di uno standard concordato a livello mondiale, la sua implementazione consentirà di utilizzare lo stesso terminale quasi ovunque nel mondo, come già accade con il GSM. Ne è una dimostrazione il fatto che tutti i maggiori produttori di componentistica, a partire da Intel con il chip denominato "Rosedale", stanno progettando un componente WiMax da inserire in ogni PC, così come già avviene per il Wi-Fi. Lo sviluppo di questa tecnologia in Italia è però frenato, allo stato attuale, dal fatto che le frequenze che a livello mondiale sono state assegnate al WiMax (3.4-3.6 GHz) risultano parzialmente utilizzate dal Ministero della Difesa. Allo scopo di superare questo ostacolo il Ministero delle Comunicazioni ha avviato tutte le azioni necessarie ad ottenerne la piena o la parziale disponibilità in tempi brevi. Per tale motivo è in corso di definizione una sperimentazione che coinvolgerà tutti i principali costruttori ed operatori del settore allo scopo di evidenziare quelli che sono i limiti e le potenzialità della tecnologia, non trascurando l'aspetto dell'interoperabilità tra apparati prodotti da costruttori diversi, aspetto fondamentale per consentire agli utenti di spostarsi tra "locations" e "service providers" diversi. La tabella sottostante fornisce una panoramica completa degli standard della famiglia 802.16 in discussione presso il WiMax Forum (organismo senza fini di lucro costituito dai principali produttori di apparecchiature e componenti per le comunicazioni quali Cisco, Alcatel, Nortel Networks, Motorola, Nokia, Intel, Siemens, ecc.).

di Mario Riva

Queste considerazioni di carattere prettamente tecnico avranno ovviamente forti ripercussioni sugli aspetti economici; la decentralizzazione della struttura e l'elevata interoperabilità che sarà necessario garantire implicherà che la catena del valore attraversi una vera e propria rivoluzione, più che evoluzione. L'eterogeneità sia nell'accesso alle reti che ai servizi, farà sì che un sistema 4G non sia organizzato come un struttura monolitica installata da una singola entità economica, ma piuttosto come una "confederazione" dinamica di più fornitori di servizi (in senso lato) talora in sinergia reciproca e talora in competizione fra loro

Si tratta quindi di avanzare, sì, nelle conoscenze tecniche e tecnologiche, ma anche di intravedere tutta una serie di nuove figure ed entità che avranno un impatto altrettanto forte sulla riuscita delle reti 4G nel loro complesso. Poiché non ci occuperemo qui di tali aspetti, a titolo di esempio possiamo solo accennare ai seguenti campi:

• I modelli aperti, sia nella fornitura di servizi che nella allocazione delle risorse, implicano probabilmente la necessità di prevedere l'introduzione di entità intermedie che abbiano la funzione di "market maker", tali da evitare ai singoli partecipanti la necessità di conoscere i singoli dettagli di tutti gli altri. Ciò avrebbe però l'inconveniente di introdurre un meccanismo centralizzato rispetto al vantaggio di una struttura di tipo "peer-to-peer".

• La possibilità di negoziazione aperta influenza fortemente il modello di tariffazione; basti pensare alla possibilità di allocazione dinamica delle risorse con criteri di tipo economico (risultante, ad esempio, da aste elettroniche "istantanee") con la necessità di avere in parallelo un sistema di pagamento, per l'utente finale, che sia personalizzato, chiaro e ben definito, oltre che vantaggioso.

• Trust management. Se di solito, per gestire le relazioni reciproche, ci si affida a schemi contrattuali stipulati fra realtà economiche ben note e definite, nonché di un certo spessore, qualora il numero e gli ambiti dei vari fornitori di servizi si ampli eccessivamente può risultare conveniente incaricare della gestione della affidabilità dei singoli partner una entità terza che classifichi e stili una loro opportuna graduatoria e la mantenga aggiornata.

Nei paragrafi seguenti, ci soffermeremo tuttavia unicamente sugli avanzamenti di carattere tecnico previsti e sulle tematiche che sono attualmente oggetto di studio ed approfondimento.

Caratteristiche di un sistema mobile di quarta generazione

Come in parte evidenziato dal percorso storico seguito dai radiomobili, l'evoluzione di questi sistemi sta avvenendo in modo estremamente articolato, anche se talune esigenze sono sentite più fortemente di altre. Con il nome di rete 4G si intende per lo più un sistema mobile interamente basato su protocollo IP che consente l'accesso mediante un ampio assortimento di interfacce radio. Inoltre assicura sia roaming che handover trasparenti per l'utente e la garanzia di poter utilizzare in qualunque istante la migliore connessione disponibile. Tutto questo avviene combinando in una unica rete una molteplicità di interfacce radio, differenti sia per tipo di accesso multiplo che per banda impiegata che per tecnica trasmissiva, ed offrendo quindi all'utente la possibilità di utilizzare quella che meglio risponde alle sue esigenze in quel luogo ed in quell'istante.

I vantaggi per l'utente sono immediatamente evidenti: accesso a una miriade di differenti servizi, aumento della copertura disponibile, terminale unico, unica tariffazione e un accesso radio più affidabile anche quando una o più reti non sono disponibili (per ragioni di traffico, copertura o quant'altro).

La connettività radio viene assicurata a tre possibili livelli: di Personal Area Network (come nel caso del Bluetooth), di rete locale (mediante degli Access Points quali quelli utilizzati da WiFi o da Hyperlan) e di rete cellulare. Ovviamente i dispositivi mobili devono essere in grado di codificare e decodificare le informazioni che viaggiano in aria modificandole e traducendole dal/nel formato adatto ad essere utilizzato dalla particolare rete con la quale si è connessi in quel luogo ed in quel momento. Per far ciò, un aspetto tecnologico essenziale è costituito dal concetto SDR (Software Defined Radio), che consiste nella capacità di realizzare per via software molte delle funzioni che negli attuali dispositivi vengono realizzate in hardware. La generazione del segnale radio da trasmettere oppure la sintonia sul canale desiderato, il filtraggio delle componenti fuori banda così come l'impiego di sistemi radianti opportuni, sono tutti esempi di ciò che tramite un dispositivo SDR è possibile gestire unicamente modificando per via software i parametri di opportuni moduli. La radio diventa perciò qualcosa di programmabile e dunque di estremamente flessibile, in grado di trasmettere/ricevere su numerose bande di frequenza e di riprodurre praticamente qualsivoglia formato trasmissivo del segnale radio.

Le caratteristiche che vengono dunque percepite come importanti per i futuri sistemi 4G possono venire riassunte nelle seguenti:

• Elevata velocità di trasmissione - un sistema 4G dovrebbe essere in grado di offrire velocità di picco superiori ai 100 Mb/s in situazioni stazionarie ed attestarsi ad un media di almeno 20 Mb/s se in movimento.

• Servizi avanzati - il download di grossi file oppure lo streaming di video ad alta definizione deve avvenire in tempi ragionevoli in modo che se ne possa gradevolmente fruire.

• Elevata capacità di rete - Le elevate velocità e i grossi volumi di dati dovranno essere resi disponibili a costi inferiori a quelli attuali, in modo da innescare economie di scala.

• Trasparenza dell'infrastruttura radio - l'utente non dovrà accorgersi che il suo terminale sta comunicando volta a volta con interfacce radio differenti; saranno perciò richiesti handover rapidi fra i diversi tipi di reti radio ed essi dovranno essere assolutamente trasparenti per (cioè non percepibili da) l'utente.

Le considerazioni precedenti ci portano a considerare quali sono le aree attualmente oggetto di più intenso approfondimento, al fine di sviluppare una rete 4G che sia all'altezza di tali stimolanti aspettative. Di seguito si elencano tali tematiche.

Uno degli scopi principali di una rete 4G è quella di sostituire la proliferazione di tante core network mobili con un'unica rete standardizzata a livello mondiale, che sia basata su IP sia per trasmissione di segnalazione che di voce, dati o video, rendendo automaticamente disponibili tali servizi per i terminali mobili ovunque nel mondo. Si tratta perciò di offrire servizi multimediali agli utenti tramite una infrastruttura interamente basata su protocollo IP, ma attraverso una molteplicità di tecnologie di accesso. I vantaggi sono ovviamente legati sia alla compatibilità con precedenti soluzioni e sistemi, ma anche la sua indipendenza da essi.

1. Multiplazione statistica. A differenza dei precedenti protocolli (quali SS7), una rete IP consente di utilizzare le risorse strettamente indispensabili e solo nel momento in cui siano presenti informazioni da inviare.

2. Problematiche di qos. Ovviamente questo indubbio vantaggio ha però l'inconveniente di rendere più problematico il rispetto dei vincoli di qualità per i servizi cosiddetti real-time, cioè che richiedono di non superare certe specifiche sui ritardi massimi tollerabili per la fruibilità stessa del servizio.

3. Individualità dell'utente. Un altro aspetto inoltre da considerare con attenzione e che finora è sempre stato un punto di vantaggio per le reti mobili è costituito dalla associazione stretta fra "numero" ed "utente", per cui è sempre possibile risalire a chi fisicamente sta dietro ad un certo identificativo di rete. Questa caratteristica, che di per sé, guardando l'esperienza attuale sulle reti fisse, sembra allentarsi migrando verso il mondo IP, deve invece rimanere come un caposaldo importante sia per le questioni legate alla sicurezza dei sistemi e delle comunicazioni, che per lo sviluppo di importanti settori economici, basati sulla accessibilità e fruibilità di contenuti solo a chi ne possieda l'effettivo diritto (il tema dei Digital Rights Management).

La mobilità ha influenza su tre tematiche principali:

ADATTATIVITÀ

Questa, che può essere considerata come la parola d'ordine del 4G, ha implicazioni a molti livelli, di cui diamo di seguito alcuni esempi:

1. Terminali. Dovranno essere adattabili alle diverse applicazioni, reti, condizioni, utenti. Ogni utente potrà definire opportuni profili che sarà in grado di utilizzare per configurare in modo personalizzato il terminale che sta usando in quel momento. A seconda delle condizioni (geografiche, di traffico, ecc..) saranno richieste tecniche evolute (quali antenne intelligenti o seamless handover verso interfacce diverse) per mantenere i requisiti di bit rate e qualità richiesti. Per quanto riguarda le reti, oltre alle diverse tecniche di software radio ed interoperabilità fra interfacce radio diverse, il terminale dovrà essere organico alla posizione in cui si trova ed al relativo contesto, in modo da facilitare l'interazione uomo-ambiente, con specifico riferimento alla possibilità di usare "wearable devices" come nuovi tipi di terminali. Infine, l'adattabilità alle applicazioni potrà manifestarsi sia nella capacità di aumentare le capacità di elaborazione in modo dinamico sia di "scaricare" al momento opportuni moduli software per potersi adattare in modo ottimale al servizio che si intende fruire.

2. Reti. Saranno soggette al maggiore sforzo tecnologico, in quanto saranno lo snodo fra i due mondi dei terminali e delle applicazioni anch'essi di tipo multiforme. La possibilità di adottare antenne intelligenti e software radio sarà estesa anche agli AP (access points) o alle BS (stazioni base) della infrastruttura radio di rete, in modo da poter essere anch'essi adattabili e riconfigurabili in funzione delle esigenze globali della rete. La struttura stessa della rete potrà essere di tipo gerarchico che spazia da picocelle a macrocelle oppure megacelle, con conseguenti funzionalità di handover orizzontali e/o verticali. In questo giocherà un ruolo fondamentale IPv6 e la gestione della mobilità di cui si è già parlato. Questo porta al concetto di rete riconfigurabile in modo da adattarsi in modo dinamico ai picchi di traffico, alle velocità richieste dagli utenti ed alle condizioni del canale radio, e questo richiede il monitoraggio ed il controllo tramite funzionalità di rete decentralizzate e distribuite.

3. Applicazioni. Per fornire agli utenti dei servizi personalizzati e "context-aware", è necessario che le applicazioni siano predisposte a farsi configurare opportunamente in base ai parametri presenti nei profili d'utente, a loro volta condizionati da posizione e velocità del terminale. Inoltre le tecniche multimediali di tipo adattativo richiedono che un certo servizio possa venire fruito nella forma più opportuna, tenendo conto delle effettive caratteristiche del terminale. La negoziazione invece è una delle fase più delicate ed essenziali che devono venire gestite con la rete, in modo da adattare efficientemente il trasporto delle informazioni alle caratteristiche di canale e di rete presenti in quella particolare situazione. Una funzionalità importante in questo senso viene svolto dagli agenti mobili software di tipo intelligente, in grado sia di espletare il trasporto e lo sviluppo del servizio che una sua opportuna autoconfigurazione.

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