AGCOM Progetto ISBUL WP1.2 Accesso Radio

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1 AGCOM Progetto ISBUL WP1.2 Accesso Radio Autori: Marco Ajmone Marsan, Carlo Cambini, Claudio Casetti, Carla-Fabiana Chiasserini, Nicola Garelli (Politecnico di Torino) Antonio Sassano (Università di Roma La Sapienza ) Gerard Pogorel (Telecom-Paristech)

2 INDICE DEL DOCUMENTO 1 SEZIONE 1: SCENARIO DI INNOVAZIONE TECNOLOGICA E SISTEMISTICA IL PERCORSO VERSO I SISTEMI 4G L evoluzione verso 4G secondo 3GPP WIMAX COME TECNOLOGIA 4G STATO DELL ARTE NELLA DEFINIZIONE DELLA TECNOLOGIA LTE Core network e SAE L interfaccia radio LTE Advanced COMMITMENT DEGLI OPERATORI E SVILUPPO DEGLI APPARATI LTE Analisi delle piattaforme LTE e testbed funzionali degli operatori Bibliografia SEZIONE 2: NUOVE TENDENZE NEL RADIO SPECTRUM MANAGEMENT Il paradigma Cognitive Radio Principi e generalità Architettura delle reti di comunicazione Cognitive Radio Obiettivi e funzionalità delle reti cognitive radio Attività di standardizzazione L architettura Il livello fisico Il livello MAC Bibliografia SEZIONE 3: Calcolo del Costo-Opportunità per l utilizzo dello spettro radio Introduzione Gli AIP (Administered Incentive Prices) e le loro proprietà economiche L impiego degli AIP in Gran Bretagna Descrizione del macro modello Lo schema bidirezionale Lo schema broadcast Il modello di costing Costo opportunità per la banda MHz DVBT in Italia passi dell analisi Modello Analisi di sensitività Analisi del costo-opportunità per le bande 900MHz e 2100MHz per il servizio umts in Italia I passi dell analisi FASE 1 - Valutazione del costo opportunità marginale per il servizio 3G- UMTS FASE 2 - Valutazione del costo opportunità marginale per il servizio UMTS/HSDPA FASE 3 - Valutazione del costo opportunità marginale per il servizio HSUPA/HSDPA CONSIDERAZIONI Allegato I - Dettaglio degli investimenti necessari per l impianto di un nodo 2

3 trasmissivo DVB-T Allegato II - Dettaglio degli investimenti necessari per l impianto di un nodo trasmissivo UMTS SEZIONE 4 White spaces e dividendo esterno nello scenario italiano Premessa Coordinamento internazionale e reti SFN Accordo di Ginevra Reti SFN ad estensione nazionale Coordinamento Internazionale Convivenza tra broadcasting digitale terrestre e servizi IMT lo Scenario Valutazione del servizio e dell interferenza delle reti di broadcasting Valutazione dell estensione dell area di servizio delle reti mobili Convivenza tra broadcasting digitale terrestre e servizi IMT Risultati e Conclusioni Area Tecnica Piemonte Orientale- Lombardia Area Tecnica Toscana-Umbria SEZIONE 5: How to regulate Spectrum? A methodological introduction Introduction Four Steps of Spectrum Management Regimes assessment for a specified set of services Step 1: Allocation of frequencies: Service harmonisation or service neutrality? Step 2: Technology: Standardisation or neutrality Step 3: Usage rights options Step 4: Assignment modes of spectrum usage rights II. Nine spectrum management regimes:

4 1 SEZIONE 1: SCENARIO DI INNOVAZIONE TECNOLOGICA E SISTEMISTICA Questa sezione del documento si pone l obiettivo di illustrare gli sforzi degli enti di standardizzazione in prospettiva 4G e di esaminare le opzioni che vengono proposte agli operatori di telecomunicazioni, i vantaggi e le criticità che queste presentano. Il documento ha la seguente struttura: - Inizialmente si fornirà una panoramica sull andamento della richiesta di banda ultra larga negli ultimi anni, sulle previsioni a breve-medio termine e sul diverso impatto dei vari tipi di traffico sulle reti degli operatori, proporzionandolo ai ritorni economici attesi. - Saranno quindi esaminati, nelle loro linee generali, i percorsi che gli operatori hanno a disposizione per evolvere le proprie tecnologie per la comunicazione mobile verso sistemi di quarta generazione, prendendo in esame le famiglie di tecnologie 3GPP e IEEE. Saranno valutate, in sostanza, quattro diverse strade: l uso di UMTS nella banda a 900 attraverso il refarming della copertura GSM; l adozione di HSPA+ come soluzione-ponte verso la quart generazione; la convergenza su LTE, quando si renderanno disponibili gli apparati; e, infine, la soluzione alternativa WiMAX. Di ciascun percorso sono discussi vantaggi/svantaggi, tempi di applicabilità e impatto sulle infrastrutture esistenti degli operatori. Successivamente, si approfondirà la tecnologia LTE, delineando lo stato dell arte, come questo si può desumere dalle più recenti release dei rispettivi enti di standardizzazione, evidenziandone le caratteristiche di interoperabilità. In particolare, si descriveranno le modifiche introdotte ad LTE per quanto attiene la core network e la rete di accesso radio. Della prima, la cui architettura è altresì nota con il termine SAE (Service Architecture Evolution), si evidenzierà il supporto nativo di un architettura all IP in grado di garantire throughput elevato e bassa latenza, pur mantenendo compatibilità con (e mobilità verso) sistemi legacy (HSPA e GPRS) e non 3GPP (come WiMAX). Della seconda, si illustreranno gli schemi di trasmissione in uplink e downlink, i meccanismi per sfruttare lo spettro in modo flessibile, le tecniche di trasmissione ad antenne multiple e le soluzioni per limitare l interferenza intercella. 4

5 - Infine, si illustreranno gli attuali programmi annunciati per l adozione di LTE e i testbed funzionali realizzati dai costruttori di apparati, in collaborazione con gli operatori, nonché i prodotti che, a livello di prototipo o di sviluppo pre-competitivo, rispondono alle specifiche delle tecnologie di quarta generazione. 1.1 IL PERCORSO VERSO I SISTEMI 4G La mobilità delle persone e la loro la necessità di rimanere continuamente collegate con il proprio ambiente di lavoro, di famiglia o di svago promuove lo sviluppo incessante di nuovi terminali, nuove applicazioni, nuovi servizi di rete. Nell'ambito delle reti fisse, si è assistito alla convergenza di video, audio e dati in nuove applicazioni basate sul protocollo IP; conseguentemente oggi appare del tutto naturale prevedere che le reti mobili seguano un analogo percorso, rispondendo inoltre al desiderio degli utenti di avere a disposizione anche in mobilità collegamenti sempre attivi verso la rete Internet. La quantità di dati scambiata tra terminali mobili e terminali fissi è stata in forte crescita negli ultimi anni: nel 2007, gli operatori HSPA hanno visto decuplicare il traffico mobile, mentre nel 2008 la crescita è stata pari a volte il traffico dell'anno precedente. Le previsioni per i prossimi anni confermano questi andamenti (Figura 1). Questi numeri stanno rapidamente esaurendo la capacità delle attuali reti mobili di terza generazione (includendo quelle cosiddette 3.5G, in tecnologia HSPA), spingendo gli operatori verso soluzioni di transizione verso 4G, quali HSPA+, o interamente di quarta generazione come, LTE (Long Term Evolution) e WiMax, per mantenere la loro competitività. I fattori che sono alla base di questa crescita tumultuosa sono molteplici: tariffe flat, diffusione di terminali portatili (laptop, netbook, smartphone), contenuti on-line di grande interesse. Tra questi ultimi, merita un discorso a parte la crescita esponenziale dei contenuti video. Inizialmente sottovalutati, o relegati ad applicazioni di videofonia che non hanno mai incontrato il favore del grande pubblico, i contenuti video, sotto forma di brevi clip, compaiono sempre più spesso integrati in pagine Web di siti di news, in siti loro dedicati come YouTube o in siti di Social Networking tipici del Web 2.0 (primo fra tutti Facebook). Il video è già il responsabile dell'enorme aumento del traffico sulle reti fisse e tutto lascia supporre che un impatto simile si verificherà (e sta già in parte avvenendo) sulle reti mobili. 5

6 Figura 1: Previsioni di crescita utenti fisso/mobile (fonte: Ericsson) In particolare, il valore aggiunto che le reti mobili possono fornire rispetto a quelle fisse consiste nella capacità dei contenuti multimediali di seguire l'utente in mobilità, così che questi non dovrà più essere necessariamente collegato alla rete fissa dell ufficio o di casa propria per scaricare grossi volumi di dati, o clip video di considerevoli dimensioni o per fare l'upload di propri filmati su siti Web 2.0. Un fattore di non trascurabile importanza per questa evoluzione consiste anche nella diffusione di apparati per l elaborazione digitale audio/video (macchine fotografiche, camcorder, player MP3) sempre più facili da usare e di prezzo contenuto, ma soprattutto integrati con i terminali mobili di rete. Gli operatori stessi giocano un ruolo chiave in questo processo. Con la comparsa, anche per l'accesso mobile, di tariffe flat (anche se non propriamente economiche) o tariffe a tempo, gli utenti sono incoraggiati a sfruttare appieno le funzionalità dei loro dispositivi mobili per condividere contenuti digitali mobili. Si tratta naturalmente di una tendenza che, se incoraggiata dalle offerte degli operatori, non può che portare ad ulteriori incrementi del traffico dati mobile. Tuttavia, il fattore che gioca a sfavore degli operatori è che la crescita del traffico dati dovuto al video (e la conseguente necessità di potenziare la rete) non va di pari passo con il ritorno economico che il traffico video è in grado di generare. Anzi, i due parametri, come mostrato in Figura 2, tendono a divergere in un panorama di utilizzo dominato dal traffico video; la naturale conclusione è che i servizi voce ed i servizi video non hanno la stessa economia di 6

7 scala. Figura 2: Necessità di riduzione del costo per bit in un panorama di utilizzo dominato dal traffico video (fonte: Nokia) Il risultato netto è che gli operatori si trovano a lavorare con reti di accesso che stanno per raggiungere la loro capacità massima e l incremento di capacità è tutt altro che indolore. La RAN (Radio Access Network), il backhaul, l'rnc (Radio Network Controller) e la core network a commutazione di pacchetto sono state dimensionate per traffico voce e piccoli volumi di traffico dati (quali quelli che erano ipotizzabili con i terminali 3G). Si delinea quindi il paradosso per cui, mentre il traffico di rete e la domanda degli utenti cresce, gli operatori si trovano nella condizione di non poter sfruttare appieno le potenzialità della rete e di non essere in grado di offrire servizi più remunerativi. La soluzione a questo problema deve essere cercata tra le tecnologie in grado di limitare il costo per bit dei servizi di rete, di offrire maggiore capacità, maggior banda e ridotta latenza. Per molti operatori la scelta naturale sarà quella di effettuare un upgrade delle proprie reti, scegliendo tra le soluzioni proposte in ambito 3GPP e 3GPP2. In alcuni casi, è prevedibile che alcuni operatori possano rivolgersi a tecnologie standardizzate da IEEE. 7

8 1.1.1 L evoluzione verso 4G secondo 3GPP L offerta commerciale nel campo delle comunicazioni mobili si è tradizionalmente inserita nell alveo degli standard definiti da ETSI, ANSI e ITU prima (GSM, IS-95), e da 3GPP e 3GPP2 poi (UMTS, HSPA, CDMA2000, EV-DO). Appare quindi naturale che il consolidamento di queste famiglie di standard apra la strada a soluzioni che, dal punto di vista dell operatore incumbent, impongono sforzi economici contenuti per effettuare l upgrade della propria rete. Esaminando per il momento le possibili soluzioni di derivazione 3GPP (e 3GPP2), prospettano tre direzioni: si Estensione della banda UMTS verso i 900 MHz Adozione di soluzioni transitorie incrementali (HSPA+) Migrazione verso sistemi 4G (LTE) UMTS a 900 MHz tramite il refarming della banda GSM Il servizio UMTS è stato lanciato nel 2001 nelle bande ( MHz e MHz). Nonostante gli operatori UMTS mondiali abbiano abbondantemente superato il centinaio, il servizio UMTS risulta quasi del tutto assente, o di bassa qualità, in zone rurali e scarsamente popolate. L'uso del servizio UMTS nella banda dei 900 MHz (UMTS900) [1] potrebbe rappresentare una risposta a questa esigenza di disponibilità del servizio, oltre a favorire un servizio di migliore qualità anche in aree urbane, soprattutto in ambienti indoor. Quest'ultima caratteristica sta assumendo un ruolo assai rilevante, alla luce delle recenti offerte di ADSLsenza-fili dei principali operatori mobili. E infatti noto che, alle frequenze intorno ai 2 GHz, la penetrazione del solo muro perimetrale di un edificio in mattoni comporta perdite di potenza dell ordine di db. In generale, questo tipo di ostacoli si traduce nella necessità di usare modulazioni più robuste (ad esempio, QPSK in luogo di una delle varie modulazioni QAM previste), con la conseguente riduzione in termini di efficienza spettrale e perdita della capacità complessiva della cella. Il servizio UMTS900 può essere offerto appoggiandosi a siti già allestiti per GSM all'interno delle aree servite dall'operatore, con il beneficio aggiuntivo legato alla possibilità di riusare parte dei sistemi di irradiazione ivi presenti (antenne e feeder di antenna). All atto pratico, l'operatore ha quindi solo bisogno di aggiungere un nuovo cabinet per le funzioni di base 8

9 station UMTS, o sostituire gli apparati esistenti con apparati multimodo GSM+UMTS, a seconda delle caratteristiche logistiche del sito (il che rappresenta comunque un costo marginale rispetto all'allestimento di un sito UMTS ex-novo), come illustrato in Figura 3. Figura 3: Integrazione al cabinet della stazione radio base GSM per il supporto di UMTS a 900 MHz (fonte: UMTS Forum) In aree rurali, dove sono presenti punti di interesse che possono attrarre maggiori densità di utenti (luoghi turistici, aeroporti), UMTS900 può essere usato per fornire copertura ad ombrello a bassa capacità, garantendo la connettività su tutto il territorio; tale copertura può essere integrata da una o più celle UMTS a 2 GHz in corrispondenza di luoghi di interesse per offrire la banda aggiuntiva richiesta, come mostrato in Figura 3. In aree urbane, l'impiego di UMTS attraverso il refarming della banda GSM900 e la conversione dei siti GSM richiede maggiore attenzione, data la struttura complessa della copertura GSM, articolata in macro-, micro- e pico-celle. Un fattore di importanza non marginale è la possibile interferenza co-canale tra siti UMTS e GSM dello stesso operatore nella fase di refarming (cioè in presenza di una copertura ibrida a 900 MHz, con celle vicine che usano la stessa frequenza pur offrendo servizio GSM ed UMTS. Secondo un'analisi dei vantaggi derivanti dal refarming della banda GSM900, pubblicata da ISCO International, Inc. [2], UMTS900 permetterà agli operatori europei di raggiungere il 100% della popolazione con i servizi mobili a larga banda. 9

10 Il transito attraverso HSPA+ L'aumento di banda disponibile (soprattutto in downlink) introdotto da tecnologie 3.5G basate su HSPA è stato, come abbiamo visto, il motore trainante della crescita del traffico mobile osservato negli ultimi due anni. Una parziale risposta alla richiesta di incremento di velocità viene dalla release 7 di 3GPP, che ha introdotto HSPA+ (o evolved HSPA, ehspa). HSPA+ consiste in un semplice upgrade delle odierne reti HSPA, definito per proteggere gli investimenti degli operatori sulle reti HSPA, che solo recentemente hanno raggiunto la maturità tecnica e attratto notevole interesse dell utenza. HSPA+ mette a disposizione un percorso evolutivo strategico per gli operatori incumbent GSM-HSPA, in quanto fornisce prestazioni equivalenti a quelle attese da LTE per allocazioni di spettro di 5 MHz, con semplici investimenti incrementali. HSPA+ aumenta la capacità delle reti HSPA (ma solo in parte, limitandosi ad un incremento del 20%) e ne riduce la latenza al di sotto di 50 msec. Alcuni operatori (3 Scandinavia, Vodafone Spain, CSL Hong Kong) dispongono già di reti che implementano la prima fase di HSPA+ con modulazione 64QAM, in grado di raggiungere un tasso trasmissivo di picco in downlink pari a 21.6 Mb/s su bande di 5 MHz. In prospettiva, HSPA+ con modulazione 64QAM e tecniche avanzate di antenna come 2x2 MIMO potrebbero realizzare un tasso di picco teorico di 42 Mb/s in downlink e 11.5 Mb/s in uplink. Non è da escludere che, nell'attuale congiuntura economica, molti operatori decidano di far fruttare per un periodo più lungo i loro investimenti tecnologici, preferendo un più prudente, ed economico, upgrade della loro rete a HSPA+, rispetto alla ristrutturazione che sarebbe richiesta da LTE (come illustrato nelle sezioni seguenti). Tuttavia, ci sono alcune evidenti limitazioni di HSPA+ nei confronti di LTE, che potrebbero avere impatto su questa logica: il tasso di picco pari a 21.6 Mb/s reso possibile da 64QAM, anche se richiede solo minimi upgrade degli apparati delle stazioni radio base (enodeb), si applica solo in condizioni favorevoli di propagazione, in pratica solo al centro della cella, vicino all'antenna della stazione radio base la versione a 42 Mb/s, che rappresenta la scelta più naturale, richiede, oltre all'upgrade dell'enodeb, anche apparati di antenna MIMO (nel sito e nei terminali) La migrazione verso LTE LTE (Long Term Evolution) è generalmente identificato come la tecnologia 4G. LTE è 10

11 basato su trasmissione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e realizzato secondo il paradigma all-ip. Molti prevedono che LTE sarà la tecnologia scelta dalla maggior parte degli operatori mobili. LTE è stato pensato per permettere totale compatibilità con le tecnologie 3G esistenti in termini di integrazione e possibilità di handover, dando l opportunità agli operatori di prevedere un introduzione graduale, appoggiandosi sulla rete preesistente per continuità del servizio. LTE supporta mobilità elevata e roaming globale, e, grazie all uso di antenne direzionali, consente di sfruttare il riuso spettrale per aumentare la capacità delle celle. Grazie ad OFDM e a modulazioni aggressive, fornisce agli utenti una vera banda larga mobile, con throughput utente netti misurato in condizioni realistiche dell ordine di decine di Mb/s e latenze di poco superiori ai 10 ms. Lo standard LTE è stato definito assicurando flessibilità nell uso dello spettro, e offre agli operatori la possibilità di collocazione in bande di frequenza disponibili (risultato di refarming o di digital dividend) o su porzioni di spettro appena liberalizzate: lo spettro minimo contiguo richiesto è di appena 1.4 MHz, pur potendo raggiungere i 2x20 MHz (su bande di frequenza accoppiate), secondo le esigenze della rete dell operatore. Essendo una tecnologia all-ip, LTE, attraverso il suo Evolved Packet Core (EPC), può interconnettersi ed effettuare handover con altre tecnologie basate su IP, quali Wi-Fi e DSL (ad esempio, attraverso le funzionalità dello standard IEEE per l handover verticale tra reti eterogenee). In particolare, gli scenari di convergenza fisso/mobile prospettati da LTE danno agli operatori l occasione di definire strategie innovative per abbattere il muro tra la connessione a casa dell utente ed il mondo esterno. Come sarà illustrato in dettaglio nel seguito, più di venti operatori in tutto il mondo hanno manifestato l impegno ad adottare LTE. Se per gli operatori 3G attuali in Europa Occidentale e Stati Uniti, la scelta è più controversa per le ragioni esposte (transizione su HSPA+ per far fruttare su tempistiche più lunghe gli investimenti nella rete 3G e 3.5G), molti operatori GSM ed EDGE in paesi in via di sviluppo vedono in LTE l opportunità di migrare su un sistema ormai maturo, saltando a pié pari la tecnologia 3G ed approdando direttamente al 4G, garantendosi ampi margini di operatività e di crescita per gli anni futuri. Secondo ABI Research, saranno più di 32 milioni gli utenti LTE nel 2013 [3], nonostante le previsioni sulle tempistiche dell adozione di LTE non lo vedano in campo prima del Le conclusioni a cui giunge ABI Research sono dettate dal fatto che i principali operatori mobili (NTT Docomo, China Mobile, Vodafone, Verizon Wireless, T-Mobile, AT&T, solo per 11

12 citarne alcuni) hanno annunciato di voler adottare LTE. Vale infine la pena di citare che la NGMN (Next Generation Mobile Networks) Alliance, un gruppo globale che raccoglie il 70 per cento degli operatori mobili, ha approvato LTE come la prima tecnologia che risponde ai requisiti definiti dalla NGMN stessa per l evoluzione verso il 4G WIMAX COME TECNOLOGIA 4G Se la roadmap per l adozione di LTE da parte degli operatori mobili presenta, pur attraverso percorsi articolati, delle chiare opportunità, meno chiare sono le prospettive per l evoluzione verso 4G offerte da IEEE. Benché WiMax presenti tratti comuni con le tecnologie 4G di 3GPP (elevata efficienza spettrale, trasmissione basata su OFDM, uso di MIMO e smart antennas), le due soluzioni appaiono difficilmente confrontabili per quanto attiene le caratteristiche di mobilità dei terminali. Mentre l uso di WiMax come tecnologia per l accesso fisso a larga banda sull ultimo miglio (basata sullo standard IEEE ) ha dei modelli di impiego ben delineati, il supporto per la mobilità, definito dallo standard IEEE e o Mobile WiMax, stenta a prendere piede. Uno dei motivi delle difficoltà di penetrazione è l incompatibilità di e e, che costringe gli operatori WiMax ad usare due linee di prodotti differenti, o a convergere sul solo e scegliendolo anche per l accesso fisso, per il quale non è ottimizzato. Secondo Visant Strategies [4], esistono due percorsi che WiMax mobile può seguire: Topdown e Bottom-up. Il primo richiede che i maggiori operatori adottino e inizino ad installare WiMax, abbandonando, in altre parole, la migrazione in corso verso LTE. Uno scenario assai improbabile, come ampiamente discusso in precedenza. Il percorso Bottom-up ipotizza invece una partenza con investimenti moderati ed installazioni limitate in paesi emergenti dell Asia, dell Europa orientale e dell America latina, così come da parte di operatori di nicchia negli Stati Uniti ed in Europa occidentale. Questo scenario ha maggiori probabilità di realizzazione, anche se il rischio è quello di assistere ad una crescita lenta e faticosa della rete, a causa delle piccole dimensioni e ridotte possibilità economiche degli operatori, che comporta quindi il rischio di non riuscire a raggiungere la massa critica necessaria per rientrare degli investimenti. Con ogni probabilità, WiMax è quindi destinato a restare limitato ad un mercato di dimensione considerevolmente ridotta rispetto a LTE, e principalmente orientato all utenza 12

13 fissa (stanziale o nomadica) e con limitato supporto alla connettività in fase di mobilità. In ragione di queste considerazioni, anche se terminali di tipo SmartPhone multimodo LTE/HSPA/WiMax stanno timidamente emergendo, è lecito attendersi che la fetta più consistente del mercato delle schede WiMax sia orientato a laptop e netbook [5]. 1.2 STATO DELL ARTE NELLA DEFINIZIONE DELLA TECNOLOGIA LTE I requisiti che costruttori di apparati ed operatori stanno prendendo come riferimento nella recente fase di allestimento dei testbed funzionali derivano direttamente dalla Release 8 di LTE, preparata in seno a 3GPP [6]. Al suo interno, così come riassunto nelle sezioni seguenti, si descrivono le modifiche introdotte ad LTE per quanto attiene alla core network e alla rete di accesso radio. Della prima, la cui architettura è altresì nota con il termine SAE (Service Architecture Evolution), si evidenzia nel seguito il supporto nativo di un architettura all IP in grado di garantire throughput elevato e bassa latenza, pur mantenendo compatibilità con (e mobilità verso) sistemi legacy (HSPA e GPRS) e non 3GPP (come WiMAX). Della seconda, si illustrano più avanti gli schemi di trasmissione in uplink e downlink, i meccanismi per sfruttare lo spettro in modo flessibile, le tecniche di trasmissione ad antenne multiple e le soluzioni per limitare l interferenza intercella. Figura 4 - L evoluzione della Core Network da 3G a LTE 13

14 1.2.1 Core network e SAE Anche se l esame della core network dei sistemi 4G non è l obiettivo di questo documento, si include in questo paragrafo un riassunto degli aspetti chiave della SAE, da un lato per completezza, dall altro per chiarire alcuni riferimenti e rimandi necessari alla discussione dell accesso radio di LTE. Il cardine dello sviluppo della SAE definita da 3GPP nella Release 8 è stata la specifica del cosiddetto evolved packet core (EPC), ossia di una core network multi-accesso che permette agli operatori di unificare sotto un architettura core comune sia l accesso radio di derivazione 3GPP (LTE, 3G e 2G), che l accesso radio non 3GPP (WLAN/WiMAX), che l accesso fisso (DSL, Ethernet). I tre paradigmi attorno a cui ruota la definizione di EPC sono: la mobilità e la compatibilità con i sistemi legacy, la gestione delle policy, la sicurezza. Figura 5: L evoluzione della Core Network da 3G a LTE Riguardo al primo paradigma, l EPC prevede la standardizzazione delle interfacce e delle procedure preposte al roaming tra diverse tecnologie radio. L architettura SAE è considerata flat nel senso che prevede due soli nodi sul piano utente: la base station evoluta, o enodeb, e il gateway, come illustrato in Figura 5. L archittetura flat permette di ridurre il numero di nodi attraverso cui transitano i dati utente e le informazioni di segnalazione. L eliminazione dell RNC e l inclusione delle sue funzioni nell enodeb, permette a questi ultimi di gestire direttamente l handover. Ma la differenza principale rispetto alla core network attuale risiede proprio nella architettura all-ip, con supporto limitato al solo traffico IP (che quindi non richiede più tunneling o gateway per attraversare il core). I servizi vocali stessi, la cui implementazione diverrà parte dell IMS (IP multimedia system) già previsto nelle reti 3G, saranno trasportati su connessioni a pacchetto; questo richiede che sia mantenuta continuità tra sistemi per il trasporto della voce a commutazione di circuito e sistemi VoIP a pacchetto. La compatibilità con le reti 3G, necessaria ad effettuare handover a bassa latenza, sarà mantenuta attraverso meccanismi di segnalazione che interfacciano l SGSN (Signaling GPRS Service Node) e l EPC. In tema di gestione delle policy, il framework è quello già definito dalla release 7, ossia il Policy and Charging Control (PCC), che massimizza il controllo dell operatore su tutte le funzioni di gestione della qualità di servizio e di fatturazione, indifferentemente dal tipo di elemento di rete. 14

15 Infine, gli aspetti di sicurezza inclusi nella definizione di EPC coinvolgono l intero percorso end-to-end, inclusi eventuali transiti su reti eterogenee L interfaccia radio Lo schema di base della trasmissione radio in LTE si articola secondo metodi differenti, a seconda della direzione di transito dell informazione. - In downlink, LTE utilizza OFDM. La trasmissione di simboli avviene quindi su un gran numero di sottoportanti a banda stretta, rendendo così la trasmissione robusta rispetto a fenomeni di dispersione temporale su canale radiomobile selettivo in frequenza (tipici invece della trasmissione di segnali a banda stretta senza OFDM). Allo stesso tempo, OFDM semplifica l elaborazione e l equalizzazione del segnale in banda base, riducendo i costi e il consumo energetico del terminale ricevente. - In uplink, a causa del limitato budget energetico, il parametro più importante risulta essere proprio l efficienza energetica del terminale: per questo motivo, la tecnica trasmissiva adottata in LTE è basata su Single Carrier FDMA (SC-FDMA): il segnale in banda base è codificato in trasmissione calcolando la trasformata discreta di Fourier (DFT), applicandovi lo spreading OFDM e quindi ricalcolando la trasformata discreta inversa. L accesso multiplo è garantito combinando opportunamente tra le varie sorgenti i coefficienti della trasformazione numerica di Fourier. Le trasmissioni SC-FDMA hanno quale proprietà principale un basso rapporto tra potenza di picco e potenza media, il che aumenta la resa energetica dei terminali [7]. Sempre a livello fisico, i dati sono: (i) codificati mediante FEC; (ii) modulati usando, a seconda delle condizioni del canale, QPSK, 16-QAM o 64-QAM; (iii) assegnati per la trasmissione ad apparati multipli di antenna (MIMO); (iv) modulati OFDM, con o senza DFT. La gestione delle ritrasmissioni e la multiplazione dei flussi dati è demandata ai livelli protocollari RLC, MAC. La Figura 6 illustra i ruoli dei tre livelli inferiori dell architettura LTE. Il segnale trasmesso è organizzato in trame composte di 10 sotto-trame della durata di 1 ms, sulle quali si esegue H-ARQ e a cui si riferisce il feedback sullo stato del canale che permette di scegliere in modo adattativo e con granularità finissima il tipo di modulazione e la potenza più adeguata per la trasmissione ( channel scheduling ). Queste tecniche di schedulazione adattativa della trasmissione, grazie ad OFDM, possono essere impiegate dai sistemi LTE sia 15

16 nel dominio del tempo (con granularità di 1 ms, come appena evidenziato) che in quello della frequenza (con granularità di 180 khz). Figura 6: Struttura protocollare LTE (Fonte: Communications Magazine) LTE prevede di organizzare la trasmissione in modalità sia FDD (Frequency Division Duplex) che TDD (Time Division Duplex). Nel caso di FDD, sono previste due frequenze accoppiate per le portanti in uplink e in downlink; durante ogni trama di 10 ms le trasmissioni in uplink e downlink possono avvenire simultaneamente, stabilendo relazioni uno-a-uno tra sottotrame delle rispettive trame uplink e downlink per facilitare le procedure di controllo e segnalazione. Nel caso di TDD, è invece prevista un unica frequenza portante e le trasmissioni uplink e downlink sono sempre separate nel tempo all interno della stessa cella; per ottenere flessibilità di trasmissione nelle due direzioni, sono previste diverse periodicità per l uplink e il downlink, così come diversi rapporti di uso (da un rapporto 2:3 tra downlink e uplink, fino a 9:1); venendo a mancare la relazione uno-a-uno tra downlink e uplink, il TDD 16

17 richiede procedure di segnalazione più complesse. L uso dell una o dell altra modalità sarà una scelta dell operatore, anche se tale scelta sarà condizionata dalla particolare situazione di regolamentazione dello spettro e in particolare sarà legata alla presenza o meno di bande accoppiate (che rendono naturale la scelta di FDD). Con la modalità FDD, grazie alla definizione di canali dedicati per uplink e downlink, in condizioni di interferenza da celle vicine su una delle due frequenze FDD, l operatore può scegliere di assegnare quella più disturbata al flusso downlink, dove la maggiore potenza erogata mitiga gli effetti dell interferenza. D altro canto, TDD permette maggiore libertà nella gestione di flussi asimmetrici nelle direzioni uplink/downlink, variando la durata delle sottotrame di uplink e downlink della trama TDD. In passato, la disponibilità di modalità FDD e TDD, alquanto diverse tra loro nel trattamento del segnale radio, ha portato alla necessità di terminali dual-mode (relativamente poco diffusi) e alla scelta di fatto degli operatori di supportare la sola modalità FDD nella rete UMTS. In LTE, virtualmente tutta l elaborazione dei segnali di livello fisico è identica sia che si tratti di FDD che di TDD, rendendo economicamente convenienti i terminali dual-mode, e, di conseguenza, l uso delle due modalità trasmissive da parte degli operatori al fine di ottimizzare il servizio secondo i vantaggi esposti sopra. Un altro degli elementi-chiave di LTE, previsto fin dalle prime release delle specifiche 3GPP, è il supporto per trasmissioni multi-antenna. La progettazione dei terminali LTE non ha mai esulato dal prevedere almeno due (se non quattro) antenne riceventi, il che ha permesso di pianificare il resto dell architettura dell accesso radio in modo da sfruttare la diversità delle antenne in ricezione. LTE supporta inoltre diversità in trasmissione, multiplazione spaziale, beamforming e tecniche avanzate come multiple-input-multiple-output (MIMO) per utenti singoli ed utenti multipli (come illustrato in Figura 7). La diversità in trasmissione prevista da LTE trova impiego in primo luogo per i canali di segnalazione comune in downlink: non essendo possibile la schedulazione fine, utente per utente, che tenga conto della qualità istantanea del canale, si fa ricorso a tecniche in diversità per aggiungere ulteriore robustezza. Un discorso analogo si può fare per la trasmissione della voce: il basso bit rate dei flussi VoIP non giustifica infatti il ricorso a schedulazione adattativa con la granularità prevista da LTE. 17

18 Figura 7: Supporto per antenne multiple in LTE (fonte: Communications Magazine) L applicazione di antenne multiple alla stazione radiobase e al terminale permette di fornire trasmissioni simultanee di flussi dati in parallelo (chiamati layers nello standard LTE, derivato dalla terminologia MIMO) su un singolo canale radio. Il risultato è un incremento del bit rate di picco che la cella è in grado di offrire. Ad esempio, nel caso di quattro antenne (MIMO 4x4) al trasmettitore e al ricevitore, da uno a quattro flussi dati possono essere inviati in parallelo sullo stesso canale radio, aumentando così il tasso massimo di trasmissione di un fattore quattro. Questo risultato si ottiene attraverso una tecnica di beamforming nota come precoding, che permette, in caso di ricevitore con antenna singola e singolo layer in trasmissione, di massimizzare la potenza del segnale attraverso l assegnazione di pesi opportuni ad ogni copia del layer trasmessa da ciascuna delle antenne multiple. In caso di antenne riceventi multiple, i diversi layer (in numero inferiore o uguale al numero delle antenne) sono assegnati alle antenne in trasmissione con pesi opportuni su ogni antenna. La determinazione dei pesi avviene attraverso procedure a diversi gradi di complessità che usano le informazioni sullo stato del canale inviate dal ricevitore ed hanno lo scopo di massimizzare il throughput all uscita del ricevitore. LTE prevede l ortogonalità (e quindi la completa separazione teorica) tra i codici usati dagli utenti sia nella direzione uplink che nella direzione downlink. Di conseguenza, l unica interferenza alle trasmissioni di una cella proviene dalle celle adiacenti, da utenti che usano codici già usati nella cella in questione. Questo problema, particolarmente rilevante per gli 18

19 utenti che si trovano vicini al bordo della cella, richiede un uso oculato dei meccanismi di controllo di potenza in uplink. Infatti, inibire l uso di certe frequenze agli utenti di bordo cella può dare luogo a una riduzione della banda disponibile più consistente del guadagno di efficienza spettrale determinato dall elevato SINR che si crea in assenza di interferenza. Pertanto, LTE prevede meccanismi di coordinamento di interferenza inter-cella (ICIC), che in sostanza consistono in una strategia di schedulazione delle trasmissioni e di scelta dinamica delle frequenze che prevede l uso di frequenze complementari da parte di flussi uplink provenienti da utenti di bordo cella di celle adiacenti, senza limitare l uso di alcuna parte dello spettro. Attraverso alcuni indicatori, la cella che implementa le tecniche ICIC comunica alle celle adiacenti su quali parti dello spettro intende allocare gli utenti di bordo cella. Altri indicatori aggiornano le informazioni sul livello di interferenza osservato dagli utenti in ogni parte della cella, consentendo un raffinamento dinamico della scelta delle frequenze per l uplink. Questi meccanismi richiedono la nozione di posizione dell utente all interno della cella e in relazione ad altre celle; tale informazione è derivata dal processo di locating, tipico delle reti cellulari, con cui un terminale utente misura i livelli di potenza delle celle adiacenti ai fini di programmare gli handover LTE Advanced Anche se operatori e costruttori di apparati hanno trovato una faticosa convergenza intorno alla Release 8 di LTE, le attività preliminari alla standardizzazione delle architetture che dovranno superare LTE sono già state avviate da 3GPP lo scorso anno. In un documento chiamato Requirements for Further Advancements for E-UTRA [8], 3GPP ha tratteggiato le linee guida dell evoluzione di LTE, in risposta ai requisiti di IMT Advanced imposti da ITU. Tali linee, ancora in fase embrionale di sviluppo, presentano gli obiettivi di LTE evoluto (non di un sistema totalmente nuovo) e posso essere così riassunte: - Aggregazione di portanti: più portanti su bande di 20 MHz possono essere aggregate fino a 100 MHz di banda complessiva, per garantire tassi di trasmissione molto elevati; - Relaying: estensione della copertura al di fuori della singola cella grazie alla ritrasmissione da parte di utenti in posizione intermedia; - Trasmissioni multiantenna estese: uso di MIMO 8x8; - Trasmissione/ricezione coordinata multipunto: uso simultaneo di celle adiacenti per la 19

20 trasmissione e ricezione congiunta da/verso utenti di bordo cella (evoluzione di ICIC cui si è fatto cenno sopra). 1.3 COMMITMENT DEGLI OPERATORI E SVILUPPO DEGLI APPARATI LTE L adozione di LTE da parte degli operatori è attesa non prima del 2010, quando gli apparati di rete ed i terminali utente avranno raggiunto la piena maturazione. In questa sezione, effettueremo una breve panoramica sulle intenzioni di adozione di LTE dei principali operatori di telecomunicazioni [9][10]. - Verizon Wireless, Vodafone e China Mobile hanno condotto attività congiunte di sperimentazione di LTE, valutando in particolare le modalità FDD e TDD. Verizon Wireless ha acquisito quasi metà dello spettro a 700 MHz negli USA e prevede di usare questa banda per il lancio di LTE nella prima metà del Anche se la partnership con Verizon è attiva, Vodafone non prevede un lancio così ravvicinato di LTE, preferendo curare spazi di crescita della propria rete HSPA (che salirà a 16 Mb/s nei prossimi mesi). - AT&T Mobility, che si è aggiudicato la seconda parte dello spettro USA a 700 MHz, ha anch esso LTE tra i propri obiettivi a lungo termine (metà del 2011). - NTT DoCoMo, che ha dato dimostrazione di bit rate di 250 Mb/s in downlink e di 50 Mb/s in uplink, lancerà LTE nel Telstra ha una roadmap che prevede la migrazione ad HSPA+, prima di LTE. - La svedese TeliaSonera Mobile Networks prevede di usare per LTE due bande accoppiate da 20 MHz l una, acquisite in un asta pubblica della banda a 2.6 GHz nel maggio Nello scorso mese di gennaio, TeliaSonera ha annunciato di volere rendere operativo LTE nella città di Stoccolma nel France Telecom/Orange, impegnata in trial di LTE, ha in calendario di introdurlo nella propria rete a partire dal T-Mobile inizierà tra alcuni mesi le proprie sperimentazioni di LTE, dando il via all offerta al pubblico nel Aircell, fornitore di accesso mobile a bordo di velivoli commerciali, prevede di avviare il servizio LTE nel Bell Canada e Telus cooperano allo sviluppo di una rete HSPA su scala nazionale in 20

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