una proposta per l accesso Broadband Wireless

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1 STANDARD WiMAX, una proposta per l accesso Broadband Wireless GIOVANNI GASBARRONE FEDERICO MARIA RENON DANIELE ROFFINELLA MARCO SPINI MAURIZIO VALVO Questo articolo si propone di contribuire a fare chiarezza sulle caratteristiche e sullo stato di maturità raggiunto dalla tecnologia WiMAX, sulla reale copertura degli standard, sui campi di applicazione per i quali i sistemi WiMAX potranno realisticamente essere considerati. Le informazioni e le valutazioni riportate si basano su lavori di ricerca ed analisi condotte da Telecom Italia, utilizzando anche RFI (Request For Information) verso i costruttori e la partecipazione al WiMAX Forum. Un futuro articolo riporterà le risultanze delle sperimentazioni tecniche attualmente in fase di avvio da parte di Telecom Italia, e le valutazioni tecnico/economiche relative ai possibili scenari di applicabilità. 1. Introduzione Un club privato internazionale, nato nel lontano 2001, il cui numero di membri passa da 10 nel 2003 ad oltre 200 a fine 2004 ed oltre 350 nel 2005 [1]; un leader mondiale dei semiconduttori che fa una scommessa strategica su una tecnologia che dovrebbe permettergli di affermarsi in uno dei settori più dinamici e remunerativi delle TLC [2]; svariate decine di convegni in tutto il mondo, di studi di analisti specializzati [3], siti web dedicati, centinaia di articoli (su riviste tecniche ma anche sui quotidiani), migliaia di citazioni; una decina di aziende piccole, e fino a ieri quasi sconosciute, che conquistano un importante spazio di mercato e l interesse dei key player di settore proponendo prodotti proprietari ma collocati su una roadmap che promette di far nascere prodotti interoperabili ; una spinta di interessi forti che induce le autorità di regolamentazione internazionali e nazionali ad intraprendere azioni per allocare [4] porzioni di risorse (spettro elettromagnetico) per l uso di una tecnologia per certi aspetti disruptive ; molte decine di sperimentazioni pianificate in diverse regioni del mondo. Tutto questo, ed altro ancora, è il WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), un brand accortamente scelto dal WiMAX Forum [5] per evocare un WiFi massimizzato, ed indicare una standards-based technology enabling the delivery of last mile wireless broadband access, providing fixed, nomadic, portable and, eventually, mobile wireless broadband connectivity without the need for direct line-ofsight with a base station. In effetti, articoli e convegni sono prodighi di descrizioni, tabelle, confronti, in cui le prestazioni attese, in termini di NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

2 capacità, copertura, supporto applicazioni, economicità,, della tecnologia WiMAX non possono lasciare indifferenti. Come succede spesso, i valori indicati sono dei massimi teorici tipicamente non raggiungibili, o almeno non ottenibili per tutti i parametri contemporaneamente: ad esempio, il massimo bit rate non può essere assicurato alla massima distanza, per il massimo numero d utenti e con gli apparati più economici. Questo articolo si propone di contribuire a fare chiarezza sulle caratteristiche, sui campi di applicazione e sullo stato di maturità raggiunto dalla tecnologia WiMAX. 2. L accesso Broadband Wireless 2.1 Caratterizzazione dei contesti applicativi Il BWA (Broadband Wireless Access) è uno dei settori delle TLC più interessanti e maggiormente in evoluzione sia dal punto di vista del mercato, sia per quanto attiene all innovazione tecnologica; tale considerazione è ancora più vera con l avvento di scenari di convergenza fisso-mobile e voce-dati [6]. In realtà il termine BWA può essere usato per designare segmenti di mercato, contesti applicativi e aree tecnologiche anche molto diverse ed eterogenee. Fra le svariate possibilità, quattro scenari (figura 1), data la loro generalità, sono oggetto di particolare interesse e valutazioni [7]: A Connettività broadband per utenti fissi in ambienti home/office. Questo scenario è quello in cui l equivalente soluzione wired è tipicamente l xdsl; in presenza di una domanda di servizi ed applicazioni a larga banda, una possibile opzione è l utilizzo di una connessione BWA verso il luogo (abitazione, oppure ufficio, o negozio, ) al quale, per qualche ragione (tecnica, economica, regolatoria, competitiva, ), risulti problematico o di poco interesse portare connettività broadband mediante una linea fissa. Qui l end-point è l abitazione (o l ufficio ), con tutte le implicazioni che ne derivano: il contratto è assimilabile a quelli tipici per utenza residenziale (o per PMI). La BWA Subscriber Station potrà tipicamente utilizzare un antenna esterna (con migliori prestazioni radio); all interno dell abitazione/ufficio ci potranno essere svariate soluzioni, adatte alle situazioni specifiche, per permettere la connessione dei terminali d utente come PC, notebook, palmari, cordless,.... Ad esempio, si potranno utilizzare interfacce Ethernet, reti private WiFi, ecc, mentre telefoni POTS potrebbero venir connessi direttamente, o mediante adattatori IAD (Integrated Access Device ). B Connettività broadband per utenti nomadici in ambienti home/office/outdoor. In questo scenario l end-point è il terminale, che la persona può portare con se, in ambienti indoor (home/office) oppure outdoor. Il terminale è quindi dotato di una propria unità di comunicazione wireless broadband. La caratteristica di nomadicità implica che il terminale può connettersi alla rete quando è fermo in qualunque luogo, purché sotto copertura radio, mentre quando il terminale è in movimento la comunicazione non viene assicurata. Non sono pertanto necessari meccanismi per l hand-over; un caso significativamente più complesso (in termini d impatti in rete) si avrebbe in presenza di un requisito di mantenimento della sessione, che consentirebbe di non disattivare/riattivare le procedure di connessione ogni volta che il terminale viene spostato di ambiente. C Backhauling di sistemi d accesso. Rientrano in questo scenario tutte quelle situazioni, anche piuttosto diverse e specifiche, in cui le tecnologie BWA sono utilizzate non a livello di interfaccia utente-rete, ma per portare connettività a larga banda verso apparati d accesso appartenenti essi stessi alla rete. Un esempio tipico è il FIGURA 1 Quattro scenari applicativi per l accesso broadband wireless. 70 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

3 backhauling di hot spot WiFi: il WiFi trova interessanti campi d applicazione, ma a volte è problematico (o non conveniente) utilizzare linee fisse per rilegare l access point WiFi al resto della rete dell operatore, e diventa interessante considerare l uso di tecnologie BWA. Un altro caso può essere rappresentato dall esigenza di connettere stazioni radio base di sistemi radiomobili (in alternativa ad es. all utilizzo di un CDN). I requisiti derivanti da questo scenario sulle soluzioni tecniche sono soprattutto in termini di capacità complessiva del link radio (tipicamente maggiore rispetto agli altri scenari), la sua affidabilità, la robustezza ai disturbi,. D. Connettività broadband per utenti mobili. Questo è lo scenario che presenta le maggiori criticità tecniche: i terminali devono essere connessi a larga banda anche in condizione di mobilità veicolare. I requisiti sono assimilabili a quelli che valgono per le reti cellulari tradizionali, con il vincolo aggiuntivo della larga banda. I quattro scenari si differenziano significativamente in termini di requisiti; per una loro corretta caratterizzazione vanno in particolare considerati alcuni parametri chiave, richiamati brevemente nel seguito: La capacità per end-point, vale a dire il bit rate aggregato (medio e di picco, con associata QoS), all interfaccia radio verso la singola Subscriber Station (nello scenario A), verso il singolo Terminale (negli scenari B e D), o verso la singola Backhaul Station (scenario C). La capacità per settore di base station. Un settore è l area geografica tipicamente coperta (servita) da un antenna; in corrispondenza di una certa installazione è possibile utilizzare configurazioni tali per cui la copertura radio della zona circostante è suddivisa in uno o più settori. Tipicamente, la capacità per settore (in bit/secondo) corrisponde al valor massimo aggregato dei flussi delle comunicazioni contemporanee attive in quel settore. Un altro parametro importante è il raggio di copertura, cioè la distanza massima fra l end point e la Base Station. L ambito geografico entro il quale il terminale con accesso wireless rimane confinato quando accede ai servizi TLC. Vanno considerati ambiti domestico, office-room, office-building, campus, e wide area (in cui il terminale ottiene un accesso wireless in aree geografiche estese a tutta una città o regione). Il tipo di mobilità del terminale. Distingueremo fra accessi wireless fissi, in cui il terminale rimane tipicamente fermo in uno specifico ambiente; portabilità, quando il terminale può ottenere connessioni wireless in diversi luoghi, ma non viene garantita la continuità di sessione; nomadismo continuo, intendendo la possibilità di mantenere la continuità di sessione mentre il terminale si sposta in luoghi diversi, ma senza garantire assenza di interruzioni nei flussi (discontinuità ad es. nella voce e nel video); mobilità, continuità della sessione e dei flussi, come nelle reti cellulari (con ulteriori distinzioni a seconda della velocità di spostamento del terminale). È importante tener conto che i diversi parametri non sono indipendenti, ma fortemente correlati, ad esempio un alta capacità per end point potrà essere assicurata solo entro raggi di copertura ridotti, mentre la capacità per end-point dipende, fra l altro, dal numero di end-point contemporaneamente attivi nello stesso settore. Inoltre queste grandezze dipendono a loro volta da svariati fattori, fra cui: la larghezza di banda (Hz) disponibile nella banda di lavoro; la canalizzazione adottata; le tecniche di modulazione e di codifica; le caratteristiche dei ricetrasmettitori radio (in particolare la potenza) e delle antenne (in particolare la collocazione indoor o outdoor dell antenna all end-point); la condizione di visibilità ottica LOS (Line Of Sight) o non visibilità (Non LOS) fra le antenne della Base Station e dell end-point; le caratteristiche (statistiche) di propagazione radio (dipendenti a loro volta dalla natura del terreno, delle costruzioni, della vegetazione, del clima...); le eventuali interferenze con settori adiacenti e fra i terminali stessi, nonché le loro posizioni reciproche,. Tale complessità rende, nei casi pratici, necessario adottare adeguati (e complessi) metodi e strumenti di dimensionamento e di progettazione delle coperture radio, per cui va tenuto presente che confronti teorici fra diverse tecnologie BWA, in situazioni ideali, possono avere un valore puramente indicativo. 2.2 L accesso Broadband Wireless: un pò di storia Il panorama delle soluzioni e delle tecnologie che sono state proposte per rispondere ai bisogni di connettività wireless a larga banda è quanto mai ricco e variegato. Esistono sia soluzioni proprietarie sia standard, alcune consolidate, molte obsolete, altre in fase di sviluppo; alcune tecnologie possono essere considerate di nicchia, mentre altre traguardano mercati potenzialmente molto vasti. Allo scopo di collocare correttamente il WiMAX nell ambito delle soluzioni BWA, sono qui richiamati alcuni esempi rilevanti di tecnologie BWA, rimandando alla letteratura per disamine approfondite delle diverse soluzioni [8]. Non saranno qui considerate soluzioni concepite per applicazioni in aree locali LAN (Local Area Network) (come il WiFi) o personali PAN (Personal Area Network) come il BlueTooth: anche se si tratta certamente di soluzioni wireless per l accesso broadband, le limitazioni sul raggio di copertura le pongono fuori dal contesto analizzato in questo articolo. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

4 Un fattore importante da considerare per orientarsi fra le svariate proposte di soluzioni BWA, è la porzione dello spettro elettromagnetico utilizzata dalle specifiche soluzioni, con gli associati aspetti sia tecnologici che regolatori. Dal punto di vista tecnico la zona di spettro usata per la portante (che tipicamente può posizionarsi da pochi GHz a poche decine di GHz) condiziona, in particolare, le caratteristiche di propagazione radioelettrica; semplificando moltissimo, si può assumere che con frequenze più alte è possibile disporre di più banda (e quindi più capacità), ma diventa più critico assicurare la connessione radio fra antenne che non siano fra loro in linea di vista ottica (la copertura indoor diventa di fatto impraticabile a partire dai 5 GHz); si devono utilizzare quindi settori con raggi di copertura minori o prevedere solo installazioni esterne in LOS, e ciò comporta costi infrastrutturali più alti. Gli aspetti regolatori sono altrettanto importanti, in quanto sono tipicamente gli enti regolatori nazionali che (tenendo conto di quanto definito dagli enti di regolamentazione internazionali) riservano le diverse porzioni di spettro per usi specifici, permettendo usi liberi di alcuni segmenti, e cedendo licenze per l uso di altri. In generale è evidente che l utilizzo di porzioni di spettro non licenziate risulta incompatibile con l offerta di servizi con un livello minimo garantito di qualità, a causa delle possibili interferenze fra sistemi diversi attivi in una stessa zona geografica, a meno che i raggi di copertura siano estremamente limitati (tipicamente poche decine di metri). Con qualche approssimazione, si può affermare che i sistemi BWA non hanno avuto sinora uno sviluppo di business particolarmente rilevante. Nel 1998 gli Stati Uniti hanno messo in vendita licenze per un totale di 1300 MHz di banda (molto maggiore del totale della banda usata per la radio diffusione AM/FM, la diffusione TV VHF/UHF, e la telefonia cellulare presi insieme), nelle porzioni di spettro fra 27.5 GHz e 31.3 GHz. Le licenze erano destinate all offerta di servizi LMDS (Local Multipoint Distribution Service), comprendenti sia servizi televisivi sia telefonici sia dati ad alta velocità, ponendosi come alternativa a soluzioni wired per portare la larga banda ad utenza residenziale e business. Per quanto riguarda le antenne della base station e degli end-point, il sistema consente configurazioni sia punto-punto (PTP) che puntomultipunto (PMP), su distanze che possono arrivare ad alcuni chilometri; tuttavia, in conseguenza della zona (alta) di spettro utilizzata, può operare sono in condizioni di linea di vista fra le antenne, ed è sensibile alle perturbazioni atmosferiche, alla pioggia, alla presenza di alberi. Nel resto del mondo il termine LMDS non è usato frequentemente, ma sono state generalmente riservate porzioni di spettro per servizi analoghi (ad esempio, intorno ai 24 GHz in Germania, ai 28 GHz in Italia, ai 22 GHz e 28 GHz in Corea e Giappone, ai 40 GHz in altri Paesi). Gli scenari di utilizzo rientrano nelle tipologie A) e C) descritte sopra (ad esempio in Italia i sistemi a 28 GHz vengono usati principalmente per connettere le base station delle reti radiomobili). I costi delle licenze ed i costi degli apparati, nonché il vincolo della linea di vista e la mancanza di uno standard che permettesse l interoperabilità tra apparati di costruttori diversi, non hanno sinora consentito uno sviluppo di mercato significativo per l LMDS e i sistemi similari. Anche in zone più basse dello spettro sono state allocate porzioni per applicazioni BWA. Ad es. negli USA le frequenze da 2,5 a 2,7GHz erano state riservate per il MMDS (Multi-Channel Multi- Point Distribution Service). L MMDS è stato concepito originariamente per la distribuzione unidirezionale di canali televisivi, come un alternativa alla distribuzione TV via cavo; successivamente la FCC USA ha modificato il piano di allocazione delle frequenze, per consentire applicazioni bidirezionali voce, dati e video (tuttavia tale porzione spettrale è ancora in coabitazione con un altra tipologia di applicazioni, l ITFS (Instructional Television Fixed Service), e la situazione sta ancora evolvendo. Operando su frequenze più basse, i sistemi MMDS sono, rispetto a quelli LMDS, meno sensibili alla pioggia, alla nebbia, agli alberi, possono coprire distanze maggiori (anche qualche decina di chilometri), e le tecnologie radio da impiegare possono essere meno costose. I contesti applicativi più tipici ricadono nello Scenario A). D altra parte le ampiezze di banda disponibili sono inferiori (ad es. meno di 200 MHz nella porzione di spettro centrata su 2,6 GHz), e, solitamente, permane il vincolo della collocazione in linea di vista fra le antenne. Anche per l MMDS, o per sistemi operanti, in altri paesi, su zone di spettro vicine (ad esempio il 3,5 GHz), non si è sviluppato uno standard, e non si sono sviluppati mercati significativi. Nel Marzo del 1999, per sopperire alla mancanza di uno standard per l LMDS, e con l obiettivo di creare le basi per lo sviluppo del mercato del BWA, l IEEE 802 Standard Committee crea il Working Group IEEE on Broadband Wireless Access Standards [9]. L obiettivo del nuovo WG era to develop standards and recommended practices to support the development and deployment of fixed broadband wireless access systems, con focalizzazione precisamente sulla banda GHz allocata dalla FCC. Da allora il WG ha svolto un notevole lavoro, cambiando in realtà il proprio target in funzione del mutamento progressivo delle percezioni delle potenzialità del mercato, e sviluppando specifiche per sistemi molto diversi fra loro, come sarà illustrato nel paragrafo successivo. Una caratteristica tecnologica distintiva dei sistemi studiati dal WG IEEE è l adozione, per la trasmissione radio, di modulazioni di tipo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). L idea fondamentale dell OFDM (si veda il riquadro di approfondimento La tecnica OFDM ) consiste nello scomporre il flusso dei dati da trasmettere in più sotto-flussi trasmessi in parallelo mediante un insieme di portanti con spaziatura in frequenza tale da non avere interferenza mutua tra i flussi (ortogonalità tra le portanti, multiplex a divisione di frequenza). 72 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

5 LA TECNICA OFDM Nei sistemi di telecomunicazioni digitali ad elevato bit rate uno dei maggiori problemi è costituito da canali di trasmissione che presentano una risposta in frequenza ampiamente variabile all interno della banda relativamente larga del segnale. I sistemi di modulazione basati sulla multiplazione a divisione di frequenza ortogonale OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) forniscono una efficace soluzione a questo problema. Essi suddividono il flusso informativo (R bit/s) in N flussi da trasmettere in parallelo, modulando (con una tecnica di modulazione tradizionale) altrettante sottoportanti equispaziate in frequenza con spaziatura f (multiplex a divisione di frequenza). La relazione di ortogonalità (figura A) tra le sottoportanti, ottenuta imponendo che la durata Ts N/R dei simboli trasmessi sulle sottoportanti sia legata alla spaziatura in frequenza delle sottoportanti dalla relazione f1/ts, consente di annullare (in teoria) l interferenza mutua tra i diversi flussi ISI (Interferenza InterSimbolica) all atto della demodulazione del segnale ricevuto. L unità ricevente elabora separatamente i segnali associati a ciascuna sottoportante per ricostruire poi l intera sequenza dei dati della sorgente. In presenza di canali di trasmissione molto distorcenti, se si trasmette l intero flusso R su un unica portante occupando una banda B, si determinano forti interferenze e distorsioni ed è quindi necessaria una complessa equalizzazione di canale. Trasmettendo invece gli N flussi ciascuno a velocità R/N in N sottobande di larghezza fb/n, in prima approssimazione la funzione di trasferimento di canale per ciascuna sottobanda può essere considerata non distorcente (se f è sufficiente- Guard Interval τ Symbol Period Ts Time FFT FFT Fast Fourier Transform mente piccola, ovvero se N è G (f) grande) e quindi la 1.2 funzione di equalizzazione risulta non 1 necessaria o 0.8 comunque molto semplificata. 0.6 Un tipico canale distorcente sul collegamento radio si ha in presenza di cammini multipli dovuti a riflessioni delle onde radio, che determinano in ricezione echi ritardati tra loro nel tempo. In questo caso la durata del simbolo OFDM (blocco di N simboli d informazione) dovrà essere scelta molto maggiore del massimo ritardo relativo tra gli echi (τ, delay-spread). In queste condizioni inoltre, per mantenere l ortogonalità delle sottoportanti (quindi l assenza di interferenza intersimbolica tra successivi simboli OFDM) e facilitare la sincronizzazione di simbolo al ricevitore, si inserisce tra un simbolo ed il successivo un intervallo di guardia nel quale si trasmette un estensione ciclica del simbolo OFDM stesso (cyclic prefix), di durata almeno uguale a τ. Una rappresentazione tempo-frequenza del segnale OFDM è riportata in figura B. f T Grazie alla particolare spaziatura di frequenza adottata (ortogonalità), i massimi di ciascuna sottoportante corrispondono a zeri di tutte le altre, agevolando i processi di riconoscimento del segnale al ricevitore. FIGURA A Esempio di segnale OFDM in frequenza con 4 sottoportanti ( FIGURA B Rappresentazione tempo-frequenza del segnale OFDM. Si osservi che la frazione di tempo allocato per eliminare l effetto di delay-spread (τ/ts) è più piccola di Channel Bandwidth B N Sub-carriers ( Frequency un fattore pari a N rispetto ad un sistema con modulazione a portante singola tradizionale. Questo perché la durata del simbolo OFDM (Ts) è N volte maggiore rispetto alla durata del simbolo di un sistema a portante singola, a parità di rate R; quindi l efficienza di trasmissione di un sistema OFDM è maggiore rispetto a quella ottenibile con un sistema a portante singola in presenza di cammini multipli. È interessante rilevare che con la NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

6 tecnica OFDM, in linea di principio, ciascuna sottoportante può essere modulata in modo diverso, utilizzando una modulazione numerica a più livelli (per esempio di tipo QAM se di ampiezza o QPSK se di fase): le sottoportanti soggette a maggior disturbo possono essere modulate utilizzando schemi particolarmente robusti (come, ad esempio, QPSK), mentre quelle meno esposte possono essere modulate con schemi più efficienti spettralmente (come ad esempio 64 QAM). Un vantaggio essenziale dell OFDM, come dimostrato da S.B. Weistein e P.M. Ebert nel 1971 [17], è che il segnale può essere costruito utilizzando l operazione di IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) in trasmissione e di FFT in ricezione, operazioni che possono oggi essere realizzate praticamente con economiche tecniche digitali DSP (Digital Signal Processing). L FFT è caratterizzata dal parametro N, che nella pratica viene fatto coincidere con il numero di sottoportanti utilizzato per la trasmissione. All aumentare del numero N di sottoportanti impiegate, si riduce la spaziatura in frequenza fra sottoportanti, e lo spettro complessivo del segnale risultante è più compatto (maggior efficienza). D altra parte, se N aumenta, diminuisce anche il data rate con cui viene modulata ogni sottoportante, diminuendo di conseguenza l occupazione di banda di ognuna di esse, ma aumenta la complessità computazionale delle operazioni di FFT e IFFT (secondo una legge di tipo N log 2 N). Valori pratici usati sono ad esempio N256, N1024, N2048. L OFDMA La tecnica OFDM può essere utilizzata sia come semplice tecnica di modulazione, sia come tecnica di accesso multiplo a divisione di frequenza OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), anche in combinazione con altre tecniche d accesso, quali TDMA (Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Access). Secondo la tecnica OFDMA, un numero elevato di sottoportanti (fino a 2048) viene ripartito tra un numero più ristretto di sottocanali, come avviene con la tecnica del sub-channeling. Ciascun sottocanale utilizza quindi un sottoinsieme delle portanti disponibili e diversi sottocanali possono essere utilizzati allo stesso tempo da differenti terminali; la tecnica è applicabile sia in downlink che in uplink, sebbene l uso più frequente sia certamente in uplink a causa della minore capacità trasmissiva richiesta. L uso di tale tecnica aggiunge quindi un ulteriore grado di flessibilità nella distribuzione di risorse tra i diversi terminali; basti pensare che, nello stesso istante, è possibile trasmettere canali con modulazione, codifica e ampiezza diversi e adattati alle particolari condizioni di propagazione esistenti tra la stazione base e ciascun terminale. Permangono anche in questo caso i vantaggi per la tecnica del sub-channeling, in particolare la possibilità di aumentare il guadagno di sistema, a parità di potenza trasmessa, al prezzo di una minore capacità per singolo collegamento. Si osservi che le sottoportanti che costituiscono ciascun sottocanale vengono normalmente distanziate in modo da cadere in zone diverse dello spettro del canale e minimizzare perciò l effetto di distorsioni localizzate dello spettro. Varianti dell OFDM Fra le numerose varianti dell OFDM, vanno citate in particolare lo Scalable-OFDMA (S-OFDMA) ed il Flash-OFDM. Nell S-OFDMA, viene mantenuto costante lo spazio fra le sottoportanti al variare della banda del canale (che ad es. negli standard IEEE , può assumere valori fra 1,25 MHz e 20 MHz) variando il parametro N della FFT (e di conseguenza il numero di sottoportanti utilizzate). Questa tecnica consente una ottimizzazione delle prestazioni, in particolare in applicazioni di mobilità. La tecnica Flash-OFDM consiste invece in una combinazione della tecnica OFDM con la tecnica Frequency Hopping Spread Spectrum (FH-SS): le sottoportanti utilizzate da ciascun sottocanale non sono fisse, ma assegnate simbolo per simbolo secondo uno schema pseudo-casuale tra tutte quelle che costituiscono l intero canale. Sottocanali diversi utilizzano sequenze pseudo-casuali differenti in modo da realizzare un accesso di tipo a divisione di codice (CDMA) sull insieme delle sottoportanti OFDM. Ciò consente di ottenere alcuni benefici, quali quelli derivanti dalla diversità di frequenza e dalla distribuzione delle interferenze tra tutti i sottocanali (ogni sottocanale infatti non è vincolato a un determinato insieme di sottoportanti, ma le usa tutte in un certo intervallo di tempo). L OFDM, vantaggioso in particolare sui canali di trasmissione molto distorcenti, è una tecnica conosciuta fin dagli anni Cinquanta, ma è diventata popolare solo dopo il 2000, quando sono comparsi sul mercato microprocessori di costo contenuto capaci di eseguire le complesse e numerose operazioni che tale tecnica richiede. Sono state in seguito proposte alcune varianti dell OFDM, e, come vedremo, questo è uno degli ostacoli all affermazione nel mercato di una soluzione unica per il BWA. Il panorama delle possibili soluzioni per il BWA comprende numerosi altri sistemi, alcuni molto interessanti. In particolare, l evoluzione dei sistemi radiomobili ha portato alla definizione di tecniche capaci di fornire accessi wireless a bit rate crescenti; fra tutti vanno ricordati HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) e il correlato HSUPA, un upgrade dell interfaccia radio dell UMTS concepita per supportare servizi packet-based a larga banda multimediali [10]. Questi sistemi, essendo capaci di supportare la mobilità piena dei terminali, sono idonei per lo Scenario D. La specifica focalizzazione sulla mobilità è anche la caratteristica distintiva del WG IEEE Mobile Broadband Wireless Access (MBWA), istituito nel dicembre 2002 dall IEEE Standards Board [11]. A differenza del WG , il MBWA ha incontrato limitati consensi e notevoli difficoltà; ciononostante esistono sistemi proprietari, non distanti da quanto allo studio nell , che hanno trovato un proprio spazio nel mercato. 74 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

7 3. Standard e Regolamentazione I gruppi di lavoro che, nell ambito di enti di normativa o nell ambito di organizzazioni industriali, operano per lo sviluppo dei sistemi di accesso wireless a larga banda sono molteplici. Tra questi i più importanti sono l IEEE , il WiMAX Forum e l ETSI BRAN, oltre ai quali vanno considerati alcuni altri gruppi, elencati nella tabella 1, che lavorano su tematiche connesse, cioè i gruppi IEEE , , e L IEEE si occupa del monitoraggio della normativa internazionale e della regolamentazione dell uso dello spettro radio, e coordina l attività dei diversi Gruppi IEEE rispetto agli altri Organismi di standardizzazione internazionali e regionali. Gruppo IEEE WLAN WPAN - Bluetooth WMAN Radio Regulatory TAG Coexistence TAG Wireless Mobility (MBWA) Handover/ Interoperability Cognitive Wireless Regional Network IEEE ITU MBWA WLAN WPAN L IEEE esamina gli aspetti legati alla compatibilità tra gli standard in via di definizione in ambito IEEE 802; al momento sta preparando una norma relativa ai criteri per valutare la coesistenza di sistemi che utilizzano le stesse bande di frequenza. Questi due Gruppi trattano argomenti tipicamente affrontati da organismi preposti alla regolamentazione dello spettro radio (quali l ITU-R a livello internazionale, i Gruppi CEPT a livello Europeo e l FCC negli Stati Uniti), Enti che pubblicano le normative trasformate poi in Leggi Nazionali, mentre i Gruppi IEEE possono definire linee guida, ma non hanno titolo per definire la regolamentazione dello spettro radio. L IEEE MBWA (Mobile Broadband Wireless Access) si propone di sviluppare uno standard a livello fisico e MAC (Medium Access Control) di un interfaccia in aria da impiegare con i sistemi mobili operanti nelle bande di frequenza sotto i 3,5 GHz. La normalizzazione è ottimizzata per il trasporto di dati IP con bit rate di picco per utente fino a 1 Mbit/s e per diverse classi di mobilità veicolare fino a velocità di 250 km/h. Il Gruppo prevede l approvazione della norma per la fine del 2006, ma le attività stanno procedendo a rilento, ed il livello di consenso raccolto non pare al momento confrontabile con quello dell IEEE Gli studi sono stati finora indirizzati alla definizione del modello del canale radio, alla scelta del modello di traffico e alla scelta della tecnologia da adottare. Un altro Gruppo che ha lo scopo di definire meccanismi per il supporto della mobilità, è l IEEE Esso persegue l obiettivo di standardizzare funzioni denominate MIHF (Media Independent Handover Function), necessarie per passare da una Responsabilità Sviluppo di standard per i sistemi radio per reti locali Sviluppo di standard per sistemi per comunicazioni personali a corto raggio Definizione di sistemi radio a larga banda per aree metropolitane Monitoraggio degli aspetti di regolamentazione dell uso dello spettro radio in ambito ITU, Nord Americano (FCC, NTIA), Europeo (CEPT, ETSI) e Giapponese (ARIB) Sviluppo e analisi delle problematiche di coerenza tra le norme in corso di definizione in ambito IEEE 802 e la compatibilità con le norme esistenti e con quelli in via di definizione presso altri Enti di standardizzazione Sviluppo di uno standard che definisca il livello fisico e il livello MAC (Medium Access Control) di un sistema mobile a larga banda Definizione delle norme per abilitare l handover e l interoperabilità tra reti eterogenee incluse sia le reti realizzate in accordo con le norme IEEE 802 sia con quelle non IEEE 802 Sviluppo di un nuovo standard per le Cognitive Wireless Regional Area Networks destinato a operare senza licenza radio, in modo non-interferente nei canali televisivi non utilizzati Institute of Electrical and Electronics Engineers International Telecommunication Union Mobile Broadband Wireless Access Wireless LAN Wireless Personal Area Network TABELLA 1 Gruppi di standardizzazione per i sistemi radio del IEEE. rete a un altra senza caduta delle comunicazioni (handover tra reti eterogenee). I sistemi considerati sono quelli wired con interfaccia Ethernet, i sistemi IEEE , , e, in prospettiva, i sistemi IEEE , e le reti mobili definite dai Gruppi 3GPP e 3GPP2. L MIHF utilizza le informazioni presenti a livello del protocollo LLC (Link Layer Control) e scambia informazioni con i due livelli inferiori - MAC e fisico - degli standard IEEE 802 per determinare quando è necessario eseguire la procedura di handover (figura 2). Analogamente (figura 3) per i sistemi cellulari la funzione MIHF si va ad aggiungere alle funzionalità già presenti. 3.1 Il Gruppo di standardizzazione IEEE In ambito IEEE le specifiche tecniche dei sistemi BWA sono definite nel Working Group IEEE WirelessMAN Standard for Wireless Metropolitan Area Networks. Il Gruppo, nell ottobre 2004 ha approvato lo standard IEEE [12] che aggiorna e completa una serie di standard prodotti negli anni precedenti: IEEE Standard , la prima versione delle specifiche del sistema; IEEE Standard a-2003 emendamento della versione 2001 con l inserimento dei sistemi che operano nelle bande di frequenza da 2 a 11 GHz; IEEE Standard c-2002 ulteriore modifica della versione 2001 con inclusione dei sistemi che operano nelle bande di frequenza da 10 a 66 GHz; IEEE Draft P802.16d aggiornamento delle versioni e , con aggiunta dei profili dei sistemi operanti nella banda di frequenza 2-11 GHz. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

8 Data LLC Function Mgmt MAC Function (802.xx) MAC App Al momento il gruppo sta lavorando alla estensione IEEE e [13] per il supporto della mobilità; l approvazione è avvenuta a dicembre L attività di standardizzazione del sistema IEEE si è svolta in collaborazione con il gruppo ETSI BRAN, descritto nel seguito. Inoltre si deve ricordare che il sistema IEEE è anche impropriamente conosciuto con il nome di sistema WiMAX, in quanto adottato come riferimento dal WiMAX Forum. Le caratteristiche tecniche del sistema IEEE sono descritte nel paragrafo Il Gruppo di standardizzazione ETSI BRAN L3 MIH Function Function (802.xx) 802.yy Station Functional Entity Il Gruppo ETSI BRAN (Broadband Radio Access Network), che ha iniziato la sua attività nel 1998, è responsabile della standardizzazione delle norme relative ai sistemi radio a larga banda incluse quelle sugli aspetti regolatori, i protocolli di basso livello (fisico, MAC, DLC), l architettura e le interfacce di rete. 802.yy MAC Medium Access Control MIH Media Independent Handhover LLC Logical Link Control MIH Signaling Mgmt L3 App MIH Function LLC Function MAC MAC Functions (802.xx) Functions (802.xx) Network Functional Entity FIGURA 2 Modello di riferimento IEEE per l handover tra sistemi IEEE 802. Data Mgmt L3 Station Functional Entity App MIH Function Cellular Subsystem Function 802.yy MIH Media Independent Handhover MIH Signaling Mgmt L3 App MIH Function Cellular Subsystem Function Network Functional Entity FIGURA 3 Modello di riferimento per l handover tra sistemi IEEE 802 e reti cellulari. Il Gruppo ha definito le seguenti norme: HiperLAN/2 (High Performance Local Area Network): Sistema WLAN; HiperMAN (High Performance Metropolitan Area Network): Sistema ad alta capacità operante nelle bande di frequenza sotto gli 11 GHz; HiperACCESS (High Performance Access Network): Sistema ad alta capacità operante nelle bande di frequenza maggiori di 11 GHz. Le normative HiperMAN e HiperACCESS, e quelle IEEE , sono tra loro molto simili, come indicato nella tabella 2. Le differenze tra di esse sono principalmente dovute al fatto che gli standard europei generalmente includono un numero minore di opzioni rispetto a quelle previste negli standard IEEE , soprattutto se non compatibili con alcune precedenti norme europee. La differenza fondamentale però riguarda la versione IEEE e, in quanto in ETSI il gruppo BRAN non può definire standard di sistemi che supportano la mobilità (competenza del 3GPP). A questo punto le strade tra i due gruppi si dividono, anche se vi è il tentativo di includere almeno le specifiche di livello fisico del sistema 16e, quali la modulazione OFDMA, negli standard BRAN. D altra parte IEEE ETSI Wireless MAN-SC HiperACCESS Wireless MAN-SCa Wireless MAN-OFDM HiperMAN Wireless MAN-OFDMA Wireless HUMAN ETSI HUMAN IEEE MAN OFDM OFDMA SC, SCa Bande di frequenza impiegabili GHz <11 GHz in bande autorizzate <11 GHz in bande autorizzate <11 GHz in bande autorizzate <11 GHz in bande libere European Telecommunications Standard Institute High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network Institute of Electrical and Electronic Engineer Metropolitan Area Network Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Single Carrier TABELLA 2 Relazioni tra standard IEEE e ETSI BRAN. 76 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

9 va ricordato che la regolamentazione Europea sull uso dello spettro radio, prodotta dalla CEPT, fa sempre e solo riferimento alle normative ETSI. Le caratteristiche tecniche del sistema ETSI BRAN in confronto con lo standard IEEE sono riportate nel paragrafo Il forum WiMAX Fondato nel giugno del 2001, il Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) Forum è un organizzazione no profit che comprende oltre 350 società interessate allo sviluppo ed all utilizzo di apparati e reti wireless a banda larga. Il Forum ha l obiettivo di promuovere il marchio WiMAX e di certificare e garantire l interoperabilità dei sistemi basati sugli standard IEEE e ETSI HIPERMAN. Il Forum è organizzato nei principali seguenti sottogruppi: Service Provider Working Group (SPWG): ha lo scopo di stabilire una piattaforma per i Service Provider. Inoltre ha la responsabilità di definire i requisiti per l architettura di rete dietro il sistema IEEE , i modelli di business per i prodotti certificati WiMAX Forum e le funzionalità per i futuri sistemi IEEE Network Working Group (NWG): ha lo scopo di creare le specifiche di rete per il sistema WiMAX fisso, nomadico e mobile, in aggiunta a quanto è definito dallo standard IEEE Il gruppo definisce le specifiche di Stage 2 e Stage 3, basate sui requisiti prodotti dal gruppo Service Provider Working Group. Il NWG ha quindi lo scopo di definire l architettura di rete Core per la soluzione stand-alone, di interlavoro con i sistemi definiti dal 3GPP, 3GPP2 e TISPAN. Regulatory Working Group (RWG): ha lo scopo di monitorare e coordinare le azioni dei partecipanti da/verso gli enti di regolamentazione regionali, quali l ITU, la CEPT, il FCC, l ETSI, l ANSI ed altri, al fine di assicurare un armonizzazione delle regolamentazioni inerenti il sistema WiMAX. Inoltre ha lo scopo di agire al fine di abilitare il roaming globale per gli apparati WiMAX nomadici e mobili, e di supportare l evoluzione fisso-mobile. Sub 11 GHz Technical Working Group (TWG): ha lo scopo di sviluppare le specifiche di conformità e di interoperabilità (test list, test suite, radio conformance test), di definire i requisiti di rete e delle applicazioni per i futuri servizi ed interoperabilità. Application Working Group (AWG): ha lo scopo di caratterizzare e dimostrare soluzioni best practice di applicazioni e di effettuare confronti con le tecnologie alternative al fine di evidenziare le capacità del sistema WiMAX. Marketing Working Group (MWG): ha lo scopo di pubblicizzare e diffondere la conoscenza del sistema WiMAX. Si tratta del gruppo che vende il marchio WiMAX. Certification Working Group (CWG): ha lo scopo di valutare le opzioni di test, raccomandare i Testing Lab da selezionare e gestire le relazioni con essi, gestire il programma di certificazione del WiMAX Forum, recepire i documenti prodotti dal Technical Group. Il processo di definizione degli standard può essere schematizzato come segue: Il gruppo SWG definisce i requisiti per il sistema (Stage 1); Il gruppo Regulatory si interfaccia verso gli altri enti di regolamentazione al fine di portare la visione WiMAX e di agire per influenzare le scelte legate alla regolamentazione dello spettro radio; I gruppi TWG e CWG cooperano per la definizione dei parametri da includere nei profili e per l affinamento delle specifiche IEEE al fine di migliorarne le prestazioni, per esempio scegliendo tra i parametri opzionali alcuni valori e definendo alcuni di essi obbligatori per uno specifico profilo; Il gruppo Network definisce le architetture ed i protocolli del sistema (Stage 2 e Stage 3). Il WiMAX Forum ha sviluppato un proprio programma di testing e certificazione che, dalla seconda metà del 2005, si avvale dei laboratori Cetecom a Malaga (Spagna), prescelti come primi laboratori ufficiali di certificazione. Fixed Nomadic Portable Simple Mobility Full Mobility Standalone WiMAx PWLAN WISP MSO/ Cable DSL 3GPP 3GPP2 NGN Obiettivi della Release-1 Obiettivi fuori della Release-1 Interlavoro non garantito fra WiMAX standalone e altre reti 3GPP 3GPP2 DSL MSO NGN PWLAN WISP Third Generation Partnership Project Third Generation Partnership Project 2 Digital Subscriber Line Mobile Service Operator New Generation Network Public WLAN Wireless Internet Service Provider FIGURA 4 Scopo della Release 1.0 di WiMAX. Il WiMAX Forum al momento prevede di produrre 2 versioni successive delle specifiche. Lo scopo della Release 1.0 (figura 4), per la quale l ultimazione dello Stage 3 è prevista entro il primo trimestre 2006, è la definizione di una architettura di rete WiMAX per un sistema a standard IEEE , idoneo per la successiva sostituzione con il sistema IEEE e, il supporto di servizi fissi e nomadici e l interlavoro con altre reti. Il sistema WiMAX Rel.1.0 permetterebbe di realizzare i seguenti scenari di rete: NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

10 WiMAX IEEE stand-alone senza Core network (ovvero comprendente il solo sistema radio), con: - Accesso fisso (xdsl-like, WLAN-like) - Nomadicità (WLAN-like) WiMAX IEEE stand-alone con Core network WiMAX: - Accesso fisso (xdsl-like, WLAN-like) - Nomadicità (WLAN-like) - Mobilità limitata (< 90 Km/h) per mezzo di Mobile IP WiMAX IEEE con Core network 3GPP - Integrazione con rete mobile con supporto alla Nomadicità (riuso soluzione 3GPP per interlavoro WLAN con rete mobile). I contenuti della Release 2.0 non sono ancora definiti chiaramente: genericamente si prevede che tale versione conterrà ciò che non potrà essere incluso nella Release Regolamentazione dello spettro radio Per quanto riguarda le bande di frequenza di interesse per i sistemi WiMAX la situazione è in evoluzione. Il sistema WiMAX a standard IEEE può lavorare nella bande di frequenza tra 2 GHz e 11 GHz, ma l interesse è principalmente per le bande 3,5 GHz e 5,8 GHz, mentre per quanto riguarda il sistema mobile IEEE e, l interesse sembra essere verso le bande assegnate o candidate per l evoluzione dei sistemi IMT-2000, ovvero 3G e super 3G. La banda dei 3,5 GHz è stata assegnata da tempo, in Europa ed in gran parte del resto del mondo, ai sistemi radio fissi. In Italia, il Piano Nazionale delle Frequenze datato luglio 2005 mantiene l assegnazione della banda di frequenze 3,4-3,6 GHz per servizi fissi, e l Ente gestore è il Ministero della Difesa. Per permettere la conduzione di sperimentazioni tecniche del sistema WiMAX, il Ministero delle Comunicazioni ha ottenuto, in alcune aree del territorio nazionale, la concessione temporanea di alcuni canali radio. A termine delle sperimentazioni, il processo che potrebbe portare all utilizzo della banda per scopi commerciali deve tipicamente prevedere una Consultazione pubblica per la raccolta delle indicazioni da parte dei soggetti interessati, la definizione della regolamentazione per l uso dello spettro recependo le direttive europee, la fissazione dei criteri di assegnazione delle frequenze ed infine l ottenimento della cessione in via definitiva della banda da parte del Ministero della Difesa. La situazione altrove è più semplice: ad esempio in Francia ed in Austria è già prevista la concessione di licenze per utilizzi commerciali. Il Gruppo di standardizzazione europeo per la regolamentazione dello spettro radio ERO (European Radiocommunications Office) è l ufficio permanente di supporto dell Electronic Communications Committe (ECC) del gruppo CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations). ECC unisce le Autorità per la regolamentazione dei 46 Paesi membri del CEPT, tra cui l Italia. Il gruppo CEPT ha il mandato di definire, fra le altre, le Raccomandazioni e le Decisioni riguardanti l uso dello spettro radio (regole di utilizzo, metodi di assegnazione, definizione degli standard a cui devono sottostare i sistemi radio per poter essere usati nella banda di frequenza in oggetto) che sono poi recepite dalle Direttive della Comunità Europea e dalle normative nazionali. Al momento della stesura dell articolo è in corso di approvazione pubblica la nuova versione della ECC Recommendation (04)05 Guidelines for accomodation and assignment of Multipoint Fixed wireless system in frequency bands GHz and GHz. I punti principali della raccomandazione sono l indicazione di criteri di assegnazione di blocchi di frequenza contigui di almeno 28 MHz per operatore, la definizione di alcuni criteri per la coesistenza di sistemi Time Division Duplex (TDD) e Frequency Division Duplex (FDD), e soprattutto la limitazione della potenza in termini di EIRP a +23 dbw/mhz per la stazione Master, a +20 dbw/mhz per la stazione periferica esterna e a +12 dbw/mhz per la stazione indoor. Comunque, la potenza massima all ingresso dell antenna non può superare i 13 dbw. È importante rilevare che per il sistema WiMAX mobile, come per ogni altro sistema che offra mobilità, le bande possibili sono quelle assegnate ai servizi mobili, vale a dire ai sistemi definiti, per esempio, come IMT-2000 da parte dell ITU-R. La tecnologia IEEE e non è al momento riconosciuta come sistema IMT-2000; pertanto, per poter essere utilizzata commercialmente, è necessaria una modifica dell attuale quadro normativo/regolamentare. Le possibilità in corso di discussione presso i vari enti di standardizzazione internazionale sono: riconoscimento di IEEE e come sistema IMT-2000; in tal caso anche la nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata nelle bande oggi assegnate ai sistemi mobili; definizione delle bande di frequenze per i sistemi mobili come tecnologicamente neutrali, il che comporterebbe che l operatore possa scegliere quale tecnologia utilizzare, indipendentemente dalla conformità ad uno specifico standard; confluenza o armonizzazione del sistema IEEE e con le specifiche in corso di discussione in 3GPP relativamente ai sistemi mobili di prossima generazione Long Term Evolution (LTE). Al momento non si è avuta nessuna decisione finale, anche se vi sono forti ostacoli a modificare il presente status quo. 4. Tecnologia 4.1 Caratteristiche principali del sistema IEEE /ETSI BRAN La tabella 3 riporta le caratteristiche principali dei sistemi definiti dagli standard IEEE ed ETSI BRAN. Questi standard definiscono al 78 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

11 Sistema Wireless MAN-SC HiperACCESS Wireless MAN-SCa Wireless MAN-OFDM Hiper-MAN Tecniche di duplexing TDD/FDD TDD/FDD/ H-FDD TDD/FDD Modulazioni Larghezza di canale [MHZ] BPSK 4-QAM 16-QAM 64-QAM BPSK 4-QAM 16-QAM 64-QAM 256-QAM BPSK 4-QAM 16-QAM 64-QAM Wireless MAN-OFDMA TDD/FDD BPSK 4-QAM 16-QAM 64-QAM BPSK Wireless HUMAN-OFDM Wireless HUMAN-OFDMA TDD/FDD 4-QAM 16-QAM 64-QAM ATM BPSK FDD H-FDD HUMAN MAN Asynchronous Transfer Mode Binary Phase Shift Keying Frequency Division Duplexing Half Duplex-FDD High speed Unlicensed MAN Metropolitan Area Network Bit rate per canale (*) [MHZ] 25; ,5; 7; 10; 20 1,75; 3,5; 7; 3; 5,5 1,25; 3,5; 7; 14; 28 QAM SC TDD momento cinque diversi sistemi, tra loro incompatibili. Per ogni sistema, inoltre, alcune caratteristiche principali (in particolare la tecnica di duplexing, la modulazione, la canalizzazione, la tecnica di trasporto) possono variare, introducendo quindi un certo numero di profili di sistema. Si descrivono di seguito le principali caratteristiche tecniche dei sistemi radio IEEE ed ETSI BRAN. La tecnica di duplexing definisce come avviene la trasmissione nei due versi downlink (da stazione base a terminale) e uplink (da terminale a stazione base). In sistemi che funzionano secondo la tecnica TDD vengono allocate porzioni di tempo differenti per la trasmissione nei due versi sullo stesso canale radio. In sistemi che funzionano secondo la tecnica FDD viene invece allocato un canale radio per la trasmissione downlink e un differente canale radio per la trasmissione uplink. Con la tecnica FDD la stazione base e i terminali possono quindi ricevere e trasmettere contemporaneamente (modalità full-duplex); tuttavia le stazioni terminali possono, in alternativa, funzionare in modalità half-duplex per una minore complessità (per esempio, le parti di elaborazione digitale del segnale possono essere condivise tra trasmettitore e ricevitore). Si noti che, mentre alcuni dei profili WiMAX prevedono entrambe le tecniche di duplexing, la coesistenza di sistemi TDD e FDD in canali adiacenti è da evitare; senza entrare nel dettaglio dell analisi della pianificazione radio basata sull eliminazione di interferenze, è infatti necessario predisporre un opportuno intervallo di guardia tra sistemi che lavorano secondo le due modalità. Tecnologia di trasporto permessa ATM (obbligatoria) IP (obbligatoria) ATM (obbligatoria) IP (obbligatoria) 1-26 ATM (opzionale) IP (obbligatoria) ; ATM (opzionale) IP (obbligatoria) ATM (opzionale) IP (obbligatoria) * La velocità di cifra di ogni singolo canale indicate sono valutate con la modulazione a minor numero di livelli nel caso di canale a larghezza minima, e con quella a maggior numero di livelli per una larghezza di canale massima. OFDM OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Quadrature Amplitude Modulation Single Carrier Time Division Duplexing TABELLA 3 Caratteristiche principali dei sistemi a standard IEEE /ETSI BRAN. L uso di antenne direttive, caratterizzate da un elevato guadagno, consente in genere di migliorare le prestazioni di un sistema radio sia per effetto di una maggior potenza del segnale utile ricevuto, sia per la maggior attenuazione che incontrano i segnali interferenti (dovuti a riflessioni nell ambiente di propagazione o ad altri sistemi operanti nelle vicinanze). I sistemi di antenna adattativi AAS (Adaptive Antenna Systems) consentono di modificare elettronicamente la direzione di massimo guadagno dell antenna in modo da indirizzare il lobo principale nella direzione voluta, quella cioè verso cui si intende trasmettere o da cui si vuole ricevere. Inoltre sistemi più avanzati, da utilizzare presso le stazioni base, possono generare più lobi e indirizzarli in direzioni diverse per consentire la ricezione/trasmissione contemporanea da/verso differenti terminali d utente, minimizzando al tempo stesso i segnali interferenti. Meccanismi di diversità in trasmissione e in ricezione possono essere utilizzati per aumentare l affidabilità e le prestazioni del collegamento radio in presenza di canali con interferenza causata da riflessioni multiple (multipath), come generalmente avviene in assenza di visibilità diretta tra stazione base e terminale. In trasmissione lo standard IEEE prevede come opzionale un meccanismo STC (Space Time Coding), che consiste nell emissione di segnali opportunamente codificati da parte di più antenne trasmittenti in modo che la loro ricezione combinata attraverso una o più antenne riceventi dia un vantaggio rispetto ai sistemi tradizionali con singola antenna. In ricezione, i sistemi con diversità combinano opportunamente i segnali provenienti da più antenne riceventi (adeguatamente distanziate) in modo da minimizzare l effetto della propagazione multipath (si veda il riquadro Antenne MIMO ). Una delle caratteristiche principali dei sistemi WiMAX è la possibilità di funzionare in condizioni di NLOS grazie soprattutto all uso della tecnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) (si veda il riquadro omonimo). Gli errori di decodifica introdotti dalla presenza di sottoportanti eccessivamente attenuate possono essere eliminati utilizzando una codifica a correzione di errore (FEC) e un meccanismo di ARQ (Automatic Repeat request). Quest ultimo fa sì che sequenze ricevute con errori non correggibili vengano ritrasmesse utilizzando una modulazione più robusta, evitando quindi l intervento di meccanismi di ritrasmissione ai livelli superiori (TCP), in genere molto più lenti. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

12 Modulazione BPSK QPSK QPSK 16 QAM 16 QAM 64 QAM 64 QAM Rate di codifica SNR (db) 1/ / /4 1/2 3/4 2/3 3/4 BPSK Binary Phase Shift Keing QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying SNR Signal to Noise Ratio TABELLA 4 Rapporto segnale/rumore richiesto in funzione di modulazione e rate di codifica [12, Table 266]. Capacità lorda per canale 3.5 MHz [Mbit/s] Capacità netta per canale 3.5 MHz [Mbit/s] Capacità lorda per canale 7 MHz [Mbit/s] Capacità netta per canale 7 MHz [Mbit/s] QAM 1/2 1/ QAM 3/4 3/ QAM 2/ QAM 3/4 Modulazione BPSK SNR 6 db QPSK SNR 9 db 16 QAM SNR 16 db 64 QAM SNR 22 db BPSK Binary Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation SNR Signal to Noise Ratio Fonte: "WiMAX's technology for LOS and NLOS environments", WiMAX Forum Whitepaper, general-versionaug04.pdf FIGURA 5 Raggio di copertura in funzione dello schema di modulazione adottato. Caratteristica comune a tutti i sistemi normalizzati è la modulazione adattativa, cioè la capacità di selezionare istante per istante la modulazione con il maggior numero di bit per simbolo, compatibilmente con le condizioni di propagazione radioelettrica e di interferenza sul collegamento tra stazione base e terminale. La modulazione adattativa consente di ottenere una maggior capacità trasmissiva in presenza di elevati rapporti S/N e una comunicazione comunque affidabile, anche se con ridotta capacità, quando il rapporto S/N è basso. La tabella 4 riporta alcuni schemi di modulazione e codifica utilizzabili in funzione del rapporto S/N. La modulazione con il maggior numero di simboli (64- QAM), che richiede perciò un rapporto S/N maggiore a parità di BER, potrà essere utilizzata per connessioni con terminali d utente prossimi al trasmettitore, mentre ai bordi dell area coperta da una stazione radio dovrà essere utilizzata la modulazione più robusta, quella cioè con un numero minore di simboli e con un codice più ridondante (BPSK con FEC code rate di un mezzo). La modulazione con un più alto numero di livelli permette di trasmettere un numero maggiore di bit per ogni simbolo; si passa infatti da 1 bit per simbolo con la modulazione BPSK a 6 bit per simbolo con la modulazione 64-QAM. A parità di simboli trasmessi nell unità di tempo (symbol rate), la modulazione con un numero maggiore di simboli permette una maggiore velocità di cifra (bit rate) e quindi un più efficiente utilizzo della banda disponibile. La modulazione adattativa conduce quindi a una copertura a cipolla (figura 5), in cui il bit rate disponibile per utente decresce all aumentare della distanza del terminale dalla stazione radio base (un utente prossimo alla stazione radio base dispone di un bit rate sei volte maggiore di un utente a bordo cella). La modulazione e il rate di Rate di codifica BPSK 1/ QPSK 1/ QPSK 3/4 nota: i valori indicati possono variare in funzione di alcuni parametri del livello MAC radio (per es. lunghezza di trama, del tempo di guardia,...). Fonte: Siemens solution for WiMAX Broadband Access Technology, TABELLA 5 Capacità massima teorica lorda per canali radio da 3,5 e 7 MHz [12, Table B.29]. codifica possono differire tra i due versi di trasmissione downlink e uplink, per esempio per una diversa potenza dei trasmettitori e/o una differente sensibilità dei ricevitori di stazione base e terminale, e possono inoltre, su ciascun collegamento stazione base / terminale, variare nel tempo in funzione delle condizioni istantanee del canale radio. La capacità dei sistemi WiMAX dipende dall ampiezza del canale radio, dal tipo di modulazione e dalla codifica; a titolo di esempio, per canali da 3,5 e 7 MHz 1 i valori di capacità lorda massima teoricamente ottenibile sono riportati in tabella 5. Se però si tiene conto dei diversi overhead presenti nella trama, dei tempi di guardia, dei preamboli, ecc la banda disponibile a livello ad es. di interfaccia Ethernet d utente si riduce (valori netti in tabella 5). Gli utenti che comunicano dal bordo della cella dispongono solo di circa 2 Mbit/s mentre, quando la modulazione 64-QAM è prevista dai (1) Lo standard prevede larghezze di canale tra 1,25 e 20 MHz. 80 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

13 sistemi, gli utenti più prossimi alla stazione radio base dispongono di una capacità massima di 21 Mbit/s, per un canale radio di 7 MHz. Va però evidenziato che si tratta di banda condivisa tra gli utenti di uno stesso settore che utilizzano contemporaneamente il canale radio. Si noti anche che la presenza di terminali funzionanti con modulazioni a ridotto numero di livelli comporta una riduzione della capacità del settore rispetto ai valori massimi indicati nella tabella in quanto, richiedendo un maggior tempo di trasmissione per trasmettere la stessa quantità di informazione rispetto a terminali che usano modulazioni con più elevato numero di livelli, sottraggono risorse radio a questi ultimi 2. Inoltre il throughput percepito dall utente può differire da quello medio (capacità totale netta/numero di utenti attivi) per effetto dei profili di traffico generati dai singoli utenti (dipendenti dai servizi utilizzati - su alcuni è sicuramente applicabile un fattore di guadagno da multiplexing statistico), della distribuzione degli utenti nel settore radio (proporzione di utenti che utilizzano le varie modulazioni), delle prestazioni del collegamento radio (errori causano ritrasmissioni e quindi riduzione del throughput). Si noti infine che le prestazioni di un sistema WiMAX dipendono fortemente da quanto le condizioni di propagazione si discostano da quelle di LOS. In particolare decadono molto rapidamente nel passaggio dalla propagazione in spazio libero (outdoor) a quella all interno di edifici (indoor). Nel primo caso si possono raggiungere distanze anche di alcune decine di chilometri in aree suburbane/rurali, in buone condizioni di propagazione e con antenne molto direttive, nel secondo le distanze si potrebbero ridurre al massimo a poche centinaia di metri in aree urbane dense. Un meccanismo di sub-channeling può essere utilizzato per evitare che una potenza trasmessa dal terminale ridotta, rispetto a quella trasmessa dalla stazione base (per contenerne il costo o per rispettare i limiti normativi) limiti eccessivamente la portata del sistema. La sotto-canalizzazione consiste nell utilizzare solo un sottoinsieme delle portanti OFDM disponibili concentrando quindi su di esse, a parità di potenza totale trasmessa, una maggiore energia. Per contro, questo riduce la capacità trasmissiva, in quanto viene utilizzato un minor numero di portanti per trasferire l informazione. La tabella 6 riporta la capacità ottenibile per settore per un canale radio di 3,5 MHz di ampiezza con due differenti modulazioni (QPSK e 64QAM) al variare del numero di sottocanali utilizzati. Un algoritmo di controllo automatico di potenza fa in modo che la potenza ricevuta dalla stazione base si mantenga su un livello pressoché costante ed uguale per tutti i terminali. Ciò è ottenuto attraverso un meccanismo di misura della potenza e di (2) A titolo di esempio, un settore radio in cui il 50% dei terminali utilizza la modulazione 64-QAM 3/4 e il restante 50% utilizza la modulazione QPSK 1/2 avrebbe una capacità totale netta pari all incirca a 12,8 Mbit/s per canalizzazione 7 MHz o 6,4 Mbit/s per canalizzazione 3,5 MHz. segnalazione sotto il controllo della stazione base stessa. In questo modo i terminali trasmettono alla minima potenza necessaria per una corretta rivelazione del segnale da parte della stazione base, riducendo il consumo (fattore determinante soprattutto per terminali mobili) e le interferenze tra settori radio operanti alla stessa frequenza. I sistemi basati sullo standard IEEE utilizzano meccanismi di crittografia e autenticazione per preservare la sicurezza delle comunicazioni. In particolare, i pacchetti che trasportano i dati d utente e le informazioni di controllo e gestione della rete sono crittografati utilizzando l algoritmo DES- CBC (Digital Encryption Standard - Cypher Block Chaining). Inoltre, il protocollo PKM (Private Key Management) è utilizzato per le procedure di autenticazione e di trasferimento delle chiavi di crittografia tra stazione base e terminali; l autenticazione avviene secondo un modello basato sull uso di certificati digitali X.509 e di crittografia a chiave pubblica RSA. I sistemi WiMAX effettuano la schedulazione del traffico sulla tratta uplink, di tipo TDMA, in base ad un meccanismo di grant/request con un controllo centralizzato nella stazione base. Ciò consente di fornire qualità del servizio differenziata a diversi flussi di traffico, di ottenere una elevata efficienza trasmissiva, e inoltre offre la possibilità di controllare i ritardi. In particolare, sono definite quattro differenti classi di servizio: Unsolicited Grant Service (UGS), per servizi real time caratterizzati da pacchetti di lunghezza fissa a cadenza periodica (per esempio circuiti affittati E1, flussi VoIP senza soppressione dei silenzi); Real Time Polling Service (rtps), per servizi real time caratterizzati da pacchetti di lunghezza e periodicità variabile (per esempio i servizi video); Non Real Time Polling Service (nrtps), per servizi tolleranti ai ritardi, ma con banda minima garantita; Best Effort (BE), per servizi senza esigenze di banda minima garantita e di ritardo limitato. Numero di sottocanali 1/1 1/2 1/4 1/8 1/16 Capacità con modulazione QPSK FEC 1/2 [Mbit/s] FEC Forward Error Corection QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Capacità con modulazione 64-QAM FEC 3/4 [Mbit/s] TABELLA 6 Effetto del sub-channeling sulla capacità, per un canale da 3,5 MHz. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

14 4.2 Profili di sistema WiMAX Da quanto in precedenza esposto, si deduce che gli standard consentono un insieme assai vasto di opzioni differenti. La conformità di un sistema alle norme IEEE e/o ETSI BRAN non garantisce quindi che due sistemi prodotti da costruttori differenti siano interoperabili. Ad esempio, un sistema TDD non può interoperare con uno FDD. Uno degli obiettivi principali del WiMAX Forum è precisamente la definizione di un numero limitato di profili di sistema, necessari a garantire l interoperabilità. I primi dodici profili WiMAX individuati dal Forum riguardano i sistemi indicati in tabella 7; si tratta di sistemi che prevedono l impiego dell OFDM a 256 sottoportanti (FFT a 256 punti), accesso TDMA, tecniche di duplexing sia TDD sia FDD, banda di frequenza di 3,5 GHz e 5 GHz. 4.3 Architettura di rete WiMAX Mentre gli standard IEEE ed ETSI BRAN sono focalizzati sui livelli di interfaccia radio, il WiMAX Forum si propone di specificare l architettura di rete complessiva WiMAX, ed aspetti funzionali e di interlavoro. Le attività sono in corso ed esistono delle versioni draft delle specifiche [14]. L architettura WiMAX è basata sui seguenti principi: Supporto di servizi di massa a larga banda fissi, nomadici e mobili a velocità veicolare; Adozione di un approccio di rete All-IP ; Adozione degli standard IEEE /ETSI BRAN e IETF, integrati ove necessario; Idoneità a deployment sia limitati sia su larga scala, ad ambienti dal rurale all urbano denso, a bande di frequenza licenziate e non, a strutture di rete gerarchiche o mesh. La versione attuale dell architettura WiMAX Forum è basata su un Convergence Sublayer SS/ MSS R1 R2 Visited NSP Home NSP R2 ASN R4 Another ASN NAP ASN Access Service Network CSN Connectivity Service Network MSS Mobile Subscriber Station NSP Network Service Provider SS Subscriber Station R3 ss CSN ASP Network or Internet FIGURA 6 Network Reference Model definito dal WiMAX Forum. R5 Bande di frequenza [GHz] 3,4-3,6 3,6-3,8 5,4-5,7 5,7-5,8 Duplexing TDD FDD TDD FDD TDD FDD TDD FDD FDD Frequency Division Duplexing TDD Time Division Duplexing Canalizzazione [MHz] 3,5 7 3,5 7 3,5 7 3, TABELLA 7 Profili di sistema WiMAX Forum per i servizi fissi/nomadici. Ethernet / IEEE 802.1Q (VLAN). L architettura di rete WiMAX Forum abilita la possibilità di handover a velocità limitata (<120 Km/h) anche utilizzando il sistema WiMAX 2004 per mezzo di Mobile IP. Inoltre il WiMAX Forum ha l obiettivo di definire l interoperabilità e l hand-over anche con altri sistemi (per esempio, WiFi, 3GPP, 3GPP2, DSL), per terminali multi-mode e il roaming tra Operatori di rete differenti. Il modello di rete di riferimento è riportato in figura 6. L ASN (Access Service Network) comprende le funzionalità per stabilire la connettività a livello radio e ai livelli 2 e 3 (solo di base, per esempio, funzionalità di proxy) con i terminali fissi e mobili WiMAX (indicati rispettivamente come SS e MSS). La Connectivity Service Network (CSN) comprende tutte le funzioni di rete di livello 3, p.es. CSN ASP Network or Internet 5 10 assegnazione degli indirizzi IP, AAA proxy o server, controllo di accesso, mobilità, roaming,.... Il Network Access Provider (NAP) fornisce l infrastruttura di accesso radio WiMAX, basata su una o più ASN, a uno o più Network Service Provider. L interoperabilità tra sistemi di diversi costruttori per le specifiche di Rel.1 è prevista per le sole interfacce logiche R1, R2, R3 e R4. L integrazione di sistemi IEEE in architetture di rete di accesso BB wired (tipicamente DSL) può avvenire secondo diverse modalità. La più semplice consiste nel sostituire all ac- 82 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

15 cesso DSL, normalmente basato sui modelli PPPoE o IPoE, un accesso WiMAX fisso con sola funzionalità di bridging Ethernet, come mostrato in figura 7. Per l interlavoro con il 3GPP, il WiMAX Forum ha deciso di basarsi sulle specifiche 3GPP di interlavoro delle WLAN con la rete mobile, sostituendo quanto definito per le WLAN con un generico Wireless Access Network che includa sia le WLAN sia il WiMAX. Nella figura 8 è riportata l architettura di interlavoro, in cui le interfaccia Wu, Wa, Wb, Wp, Wi sono definite dal 3GPP, così come il WAG (Wireless Access Gateway) che realizza funzioni di controllo del servizio ed il PDG (Packet Data Gateway) che realizza funzioni di controllo ed accesso ai servizi, assegnamento indirizzo IP, accounting,.... PPPo IPo ASP BRAS BS DSLAM NSP SS TE TE TE IP PPP PPPoE IP T CPN T CPN SS Modem WiMAX DSL BS DSLAM Access Network Access Service Provider Broadband Remote Access Server Base Station Digital Subscriber Line Access Multiplexer Network Service Provider Subscriber Station Terminal Equipment V IP PPP PPPoE IP BRAS FIGURA 7 Integrazione di accessi WiMAX per servizi fissi in architetture DSL. IP LNK IP LNK ASP NSP IP LNK IP LNK SS/ MSS R1 3GPP ASN CSN IWU MSS WiMAX Access Network Another WiMAX ASN R4 WiMAX ASN 5. I Player: costruttori, network & service provider, trial nel mondo R3 Wu WiMAX CSN IWU Third Generation Partenership Project Access Service Network Connectivity Service Network InterWorking Unit Mobile Subscriber Station FIGURA 8 Architettura di interlavoro WiMAX e 3GPP. Wa Wn PDG PS SS WAG 3GPP Home Network 3GPP AAA server WAG Internet R4 PDG Wi Packet Data Gateway Packet Switching Subscriber Station Wireless Access Gateway Packet data network (3GPP PS, Internet) Oggi tutto il mondo delle TLC sta prestando attenzione al WiMAX: molti attori sentono semplicemente l esigenza di conoscere meglio la nuova tecnologia, per poter valutare se e come posizionarla nelle proprie strategie; altri attori, in particolare alcuni costruttori, hanno già scommesso sul WiMAX, e si stanno impegnando per fargli raggiungere un sufficiente grado di maturità, tecnica e commerciale. Fra tutti si distingue lo sforzo di Intel, che si è posta l ambizioso obiettivo di ripercorrere con il WiMAX quanto sta facendo con il WiFi: incorporarlo nei sistemi (PC ma non solo) che utilizzeranno le future versioni della tecnologia Intel Centrino. Intel sta investendo sia nello sviluppo dei chip-set, sia nei contributi tecnici ed organizzativi al WiMAX Forum, sia in una ben orchestrata operazione di marketing a livello internazionale. Intel ha stipulato accordi di fornitura con alcuni dei più attivi costruttori di apparati BWA (Alvarion, Aperto, Airspan, ), ed ha accordi di sviluppo congiunto con alcuni leader internazionali di apparati TLC (Alcatel, ZTE, Nokia, ). D altra parte Intel non è la sola a scommettere sui chip WiMAX: oltre 50 sono i costruttori di chip che partecipano al WiMAX Forum, ed alcuni stanno già sviluppando i propri componenti (ad esempio, Fujitsu, Wavesat, Sequans, picochip, ). NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

16 Antenne MIMO (Multiple In Multiple Out) L impiego di antenne MIMO sta suscitando interesse crescente perché, con un costo ridotto, esse migliorano sensibilmente le prestazioni dei terminali di utente. Con esse, infatti, è possibile aumentare il volume di traffico (throughput) a parità di BER (Bit Error Rate) o, viceversa, migliorare il BER per un dato throughput senza incrementare la banda assegnata a una stazione radio base ma solo raddoppiando o triplicando il numero di dispositivi che comunicano contemporaneamente con un Access Point. Nel sistema MIMO si effettua la trasmissione del segnale, suddiviso in più flussi, da antenne differenti ma impegnando sempre la stessa banda (figura A). Le antenne MIMO, quindi, dividono il flusso dei dati (stream) in più sub-flussi ciascuno dei quali è modulato e trasmesso, simultaneamente agli altri sub-flussi, con una separazione nello spazio, ma nella stessa banda di frequenza, utilizzando a questo scopo una seconda o una terza catena circuitale uguale e parallela alla prima. In ricezione i singoli sub-flussi dati (compresi i segnali riflessi o comunque distorti per la presenza di cammini multipli dovuti alla variazione dell indice di rifrazione dell atmosfera) sono ricevuti ciascuno da un antenna differente, separata sempre nello spazio dalle altre. I segnali sono poi elaborati singolarmente - utilizzando un numero di catene in ricezione pari a quelle predisposte in trasmissione - con un particolare algoritmo (MIMO) che riconosce i dati trasmessi. Il ricevitore, quindi, combina i differenti sub-flussi ed effettua una correzione, eventualmente dialogando con il trasmettitore (mediante un protocollo di handshaking), e ricostruisce così il flusso originario. In genere le vie previste per i sub-flussi oggi impiegate sia in trasmissione sia in ricezione, sono, come si è detto, due o, eccezionalmente, tre, e in questo modo, il throughput si raddoppia o si triplica. L impiego dei sistemi MIMO (che dovrebbero prevedere antenne array su ogni catena in uscita) è considerato non solo per WiMAX, ma anche con i futuri sistemi WiFi IEEE n, e con i sistemi radio-mobili di nuova generazione. Questa complessità aggiuntiva permette al sistema di essere più robusto Codifica Modulazione Pesatura/ mappatura Pesatura/ Demodulazione mappatura Decodifica N TXers M RXers FIGURA A Architettura di un sistema radio dotato di antenne MIMO. in presenza di propagazione con cammini multipli con differenti variazioni del ritardo (delay spread) e di differenti velocità di trasmissione, situazioni che tipicamente si verificano in ambiente urbano specie nel caso di un terminale in movimento. Fra i costruttori di sistemi, molto attivi sono quelli che, sopravvissuti alle delusioni avute con le precedenti tecnologie BWA, vedono il WiMAX come un opportunità, grazie alla standardizzazione, agli investimenti dei chip-maker, ed all interesse suscitato a livello mondiale. Si tratta tipicamente di aziende medio/piccole (anche start-up) specializzate nel broadband wireless (ed in particolare nell OFDM e nelle sue varianti), che sviluppano apparati di diverse caratteristiche, e mirati a diverse nicchie di mercato, ma accomunate nel dichiarare di perseguire la certificazione del WiMAX Forum (anche se non mancano coloro che seguono strade alternative, come Flarion, che propone un proprio prodotto per il brodband wireless mobile). L elenco di queste aziende (che comprende ad esempio, Alvarion, Airspan, Aperto, Cambridge, Navini, NexNet, Proxim, Redline, SRTelecom, WiLAN, ) è lungo ed in evoluzione; un buon osservatorio aggiornato è all interno della lista dei membri del WiMAX Forum. Tiepidi inizialmente (con qualche eccezione), ora anche i maggiori costruttori di apparati TLC stanno prestando attenzione al WiMAX; molti (come Alcatel, Marconi/Ericsson, Lucent, Siemens) hanno intanto stipulato accordi di OEM con costruttori minori specializzati (o acquisito partecipazioni societarie dirette), alcuni (come la stessa Siemens, Huawei, ZTE) hanno deciso di sviluppare una propria linea di prodotti, in qualche caso (per esempio, Motorola) stanno facendo evolvere precedenti prodotti proprietari. Non vanno poi trascurati i costruttori (come Samsung, LG) che sviluppano sistemi WiBro. WiBro è un set di specifiche, sviluppato da operatori e costruttori coreani, compatibile con l IEEE802.16e, e candidato ad essere uno dei profili del WiMAX nomadico/mobile. Una sperimentazione Telecom Italia di apparati WiBro è prevista in occasione delle Olimpiadi Invernali 2006 in Piemonte. Fra le vicende che vanno seguite per interpretare l evoluzione del BWA, un posto di rilievo spetta a quelle relative alla proprietà intellettuale. Come già ricordato, l OFDM e le sue varianti sembrano rappresentare la tecnologia essenziale sia per il WiMAX, sia per i sistemi proprietari alternativi (come il Flarion), sia per l evoluzione delle reti radio mobili ( quarta generazione - 4G ). Ora il controllo 84 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

17 Aree urbane Hot Zone Applicazioni Wireless DSL Connettività Wireless P2P/PMP Hot-zones e reti municipali wireless Accesso broadband in aree rurali Accesso CDN-like Aree geografiche Mercato Soluzione d accesso Piccoli e grandi centri abitati Municipalità, residenziale/soho Accesso WiFi e WiMax per backhauling Aree rurali o non servite da ADSL Residenziale/SOHO WiMax CPE in accesso Aree metropolitane e rurali Business WiMax CPE in accesso Spettro Non licenziato Licenziato Licenziato Servizio fisso o nomadico Servizio fisso e nomadico Servizio fisso Servizio fisso Players Modello di business TelCo, Enti pubblici, WISP Reti minicipali wireless Offerta wholesale a ISP, servizi al cittadino OLO, WISP, TelCo Mercato sussidiato per il digital divide TelCo, OLO Offerte di connettività ai clienti business ADSL CDN CPE DSL ISP Asymmetric Digital Subscriber Line Collegamenti Diretti Nazionali Customer Premises Equipment Digital Subscriber Line Internet Service Provider OLO P2P PMP SOHO WISP Other Licensed Operator Point to Point Point to Multi Point Small Office Home Office Wireless Internet Service Provider TABELLA 8 Integrazione di accessi WiMAX per servizi fissi in architetture DSL. dei brevetti relativi all OFDM (i data base specializzati ne annoverano alcune migliaia) appare più distribuito rispetto a quanto si è verificato per il CDMA (una tecnologia essenziale per i sistemi radiomobili tradizionali), e ciò potrebbe comportare, attraverso l applicazione di modalità di scambio incrociato di diritti essenziali, un positivo effetto di limitata incidenza sui costi degli apparati; d altra parte, anche in considerazione del significativo ruolo giocato nel BWA da aziende medio/piccole, processi di acquisizione societari potrebbero determinare il formarsi di concentrazioni importanti, in particolare nel segmento nomadico/mobile [15]. Per quanto riguarda gli attori (WISP, Operatori, enti pubblici) che forniscono a vario titolo servizi ai clienti finali, diversi sono i modelli di business considerati; le tre principali aree di applicazione (tabella 8) sono: Hot Zone (pubblico e privato), Wireless WAN (collegamenti PTP e PMP), Wireless DSL (non consideriamo qui le applicazioni mobili, per le quali gli scenari non sono sufficientemente definiti). Esempi paradigmatici di modelli di business possono essere considerati l offerta di Libera (UK) per un target business, e l offerta di Altitude in Francia per il segmento consumer. Libera (UK) è un OLO che offre servizi di accesso fisso broadband wireless ed è posizionato sul segmento SME della piccola e media impresa. Attualmente l offerta di Libera è presente in Bristol con una soluzione Aperto Network pre-wimax nella banda licenziata dei 5,8 GHz. Libera dichiara di prevedere a fine 2008 la copertura di 50 cittadine nel Regno Unito con l acquisizione di clienti business. L offerta attuale prevede velocità di connessione da 2 a 50 Mbit/s in competizione con l offerta SDSL di connettività di BT alle imprese. Anche se l offerta parla di QoS garantita e maggiore banda rispetto all analoga offerta BT, il prezzo appare la leva principale dell offerta (tabella 9). Segmento mercato Servizi offerti Lancio del servizio Capacità di banda fornita Disponibilità del servizio Pricing dell offerta connettività di Libera Pricing offerta di riferimento di BT: connessione SDSL SDSL Symmetric Digital Subscriber Line SME Small Medium Enterprise SOHO Small Office Home Office SOHO e SME Connettività e accesso veloce a Internet Febbraio 2005 simmetrica (SDSL-like) da 2 a 50 Mbit/s Bristol (UK) Accesso 2 Mbit/s: 300 canone mensile 495 per l installazione Accesso 2 Mbit/s: 345 canone mensile 595 per l installazione TABELLA 9 Principali caratteristiche del servizio commerciale di Libera. Altitude Telecom opera in Francia come unico operatore WLL con una licenza nazionale a 3,5 GHz. Altitude, inizialmente posizionata sul segmento SME, grazie anche ai fondi pubblici ha esteso l offerta a larga banda wireless nelle aree rurali al segmento residenziale e della pubblica amministrazione locale. Altitude Telecom è già attiva in alcune regioni come la Vendée (coperta al 100% con sistemi pre-wimax), Orne e Calvados, per le quali ha concluso un accordo con Alvarion (fornitura di 200 base stations BreezeMAX e antenne outdoor per sedi dei clienti). Altitude Telecom posiziona il suo servizio pre-wimax come una alternativa al servizio di con- NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

18 Capacità di accesso Canone mensile Soluzione CPE CPE Customer Premises Equipment nettività DSL, utilizzando l acronimo WDSL, Wireless DSL (tabella 10). Altitude Telecom, che aveva annunciato ad Aprile 2005 di avere 350 clienti pre-wimax, prevede di migrare in modo graduale verso CPE indoor WiMAX (antenna interna, modalità autoinstallante). Il modello di business prevede anche il lancio di servizi VoIP su WiMAX sia per il segmento business che residenziale, stimando in particolare una riduzione di circa il 50% del costo delle fatture per il segmento business. In Austria l asta per la banda a 3,5 GHz è stata effettuata nell ottobre Le frequenze assegnate prevedono un piano di roll-out per ogni regione con una penale fino ad un milione di euro per il mancato raggiungimento dei livelli di copertura concordati. All asta hanno partecipato: Telekom Austria (incumbent rete fissa), UPC Telekabel (il maggiore operatore del cavo), WiMAX Telecom (un newcomer), Teleport (un local player). Gli annunci dei piani di investimento da parte degli operatori portano ad individuare diverse strategie di roll-out del servizio. WiMAX Telecom ha annunciato di volere effettuare un deployment da metà 2005 a livello nazionale. UPC ha annunciato che WiMAX sarà utilizzato in white spots, dove non esiste ancora alcuna infrastruttura in cavo o accesso ADSL. Telekom Austria segue invece una strategia di sviluppo del servizio mirata alle principali aree urbane dove si concentra la popolazione in Austria; a tale scopo Telekom, che prevede di avvalersi di più fornitori, ha acquisito all asta 5 bande di frequenze nel campo del 3,5 GHz, una per ogni regione in cui è stata divisa l Austria dal regolatore. In Francia la regolamentazione prevede le seguenti 1 Mbit/s Solo accesso dati 1 Mbit/s data - 39 euro/mese Offerta Double play : accesso 1 Mbit/s + VoIP - 45 euro/mese Antenna Outdoor installata da partner Altitude, e CPE indoor TABELLA 10 Schema dell offerta Altitude Telecom per la clientela residenziale. AP BAS BS CPE DSLAM WiFi WiMAX CPE 10/100 BaseT WiMAX CPE bande per il wireless: 2,4 GHz (non licenziata) per applicazioni WLAN; 3,5 GHz (licenziata) per applicazioni WLL; 3,7 GHz è in corso d esame da parte del regolatore; 5,150-5,350 GHz esclusivamente per accesso WLAN indoor. Il già citato operatore Altitude ha ottenuto, prima della consultazione pubblica WiMAX di ART, una licenza nazionale (15 MHz duplex), e già offre servizi BWA con sistemi pre-wimax. ART ha promosso una sperimentazione nella banda di frequenza 3,5 GHz, rendendo disponibile più spettro di quanto previsto in un primo momento: 30 MHz in 3,4-3,6 GHz ed ulteriori 30 MHz nella banda 3,6-3,8 GHz. Le frequenze disponibili sono messe all asta su base regionale o nazionale. France Telecom ha condotto una sperimentazione in tre cittadine (Amilly, Lehon, La Salvetat) testando apparati di tre diversi fornitori. Il trial in Lehon (Aperto) è già stato avviato a fine dello scorso anno e riguarda l utilizzo di WiMAX come backhauling di hot-spot WiFi; in Amilly (Redline Communications) sono state collegate 12 utenze enterprise mentre a Le Salvetat (Alvarion) la sperimentazione interessa 32 utenze residenziali. Il servizio offerto a pagamento è analogo all accesso ADSL. Si prevede nel corso della sperimentazione (figura 9) un upgrade in tutte le località a 4 Mbit/s. 3,5 GHz WiMAX BS WiFi AP 10/100 BaseT Access Point Broadband Access Server Base Station Customer Premises Equipment Digital Subscriber Line Access Multiplexer Wireless Fidelity 10/100 BaseT 2,4 GHz FIGURA 9 Schema di FT R&D della sperimentazione WiMAX. Access concentrator WiMAX CPE STM1 or IMA/n E1 10/100 BaseT Backbone BAS DSLAM STM1 86 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

19 In Inghilterra la maggior parte dello spettro risulta già allocato e nella banda 3,4-3,5 GHz esistono già operatori a livello nazionale: 2,4 GHz non licenziata WiFi; 3,4 GHz licenza nazionale assegnata all operatore PCCW; 3,5 GHz licenza nazionale assegnata all operatore Pipex; 5,8 GHz non licenziata WiFi a; 10 GHz varie licenze locali. Ofcom sta considerando, come candidate per le licenze WiMAX, le bande 2,010-2,025 GHz, 2,500-2,690 GHz, 3,6-4,2 GHz. La banda 5,8 GHz può essere utilizzata solo per collegamenti PTP, senza protezione per i disturbi e quindi senza SLA. Anche in UK gli operatori si dividono tra quelli che hanno come target il mercato delle aree rurali non servite dal BB - come stanno facendo Telabria e in qualche misura BT con il suo recente trial pilota in aree rurali della Scozia, Galles e Irlanda del Nord - e quelli come Libera che punta al segmento business (con l obiettivo di coprire il 75% dei clienti business in Inghilterra per la fine del 2006), con un offerta di capacità a basso costo alternativa ai circuiti affittati. Entrambi i modelli di business possono utilizzare apparati in banda non licenziata: in aree rurali grazie alla scarsa interferenza e congestione nella pianificazione delle frequenze, mentre nel caso business grazie alla possibilità di installare antenne esterne per ottenere il LOS (Line Of Sight). Per le aree urbane o suburbane le bande licenziate sono fondamentali a fronte dei rischi d interferenza, e pertanto cresce l interesse per le bande assegnate in licenza nella banda 3,4-3,5 GHz. Pipex detiene la licenza nazionale nello spettro dei 3,5 GHz, ma ha ancora utilizzato poco questo asset, lasciando all operatore PCCW (partecipata di UK Broadband) il ruolo di operatore di riferimento per i servizi broadband wireless licenziati con la sua banda 3,4 GHz posseduta a livello nazionale. Il panorama si completa con l offerta di altri servizi simili in differenti bande di frequenza per il segmento business e SOHO, dove operano altri players che utilizzano spettro non licenziato a 5 GHz come Telabria che ha iniziato a sviluppare la sua rete WiMAX per la fornitura di servizi dati e fonia per i segmenti residenziali e business nella regione del South East England. In Spagna assistiamo alla crescita di interesse sul BB wireless: Iberbanda, una startup nata nel 2000 per fornire capacità a larga banda nelle aree rurali, opera con una licenza nazionale che utilizza sistemi radio a 3,5 GHz, con canali simmetrici MHz, 3,440-3,460 GHz e 3,540-3,560 GHz. In passato ( ) ha utilizzato sistemi LMDS 3,5 GHz con un target di mercato business con una offerta dati e fonia. Con la disponibilità di prodotti pre-wimax, Iberbanda cambia strategia e dal 2004 oltre alle aree rurali inizia a fornire servizio nelle aree non coperte dall accesso ADSL. Il deployment con sistemi prewimax copre il 25% del territorio spagnolo (Andalucía, Murcia, Cataluña), e si inizia a pianificare la copertura nelle aree urbane considerate maggiormente remunerative. L obiettivo è raggiungere per il 2006 il 68% della popolazione spagnola. In Giappone YOZAN, un operatore attivo nell area metropolitana di Tokyo, ha raggiunto un accordo con Airspan per la fornitura di BS e CPE per una cifra che si aggira attorno ai 12 milioni di dollari; Yozan prevede di sviluppare una rete WiMAX nell intera città di Tokyo utilizzando circa 600 stazioni base per la fornitura di connettività IP e di servizi voce, video e dati a larga banda. Il deployment dovrebbe essere caratterizzato da una canalizzazione a 10 MHz con BS che forniscono circa 30 Mbit/s su un raggio di 500 metri. Il lancio del servizio commerciale è previsto per dicembre 2005, con offerta di dati e VoIP. Nel futuro il servizio dovrebbe estendersi ad includere video e aree suburbane. L operatore è inoltre in fase di negoziazione con il regolatore per ottenere la possibilità di estendere in seguito il servizio in mobilità. In Corea Il MIC (Ministry of Information and Communication) ha assegnato tre licenze per il WiBro a Korea Telecom, SK Telecom e Hanaro Telecom (successivamente ritirato), l inizio del servizio commerciale è previsto per metà 2006; il costo del servizio (1 Mbit/s) sarà di circa 30 dollari al mese. Nel nord America si evidenzia un crescente interesse verso il WiMAX. La crescita delle piccole e medie imprese che operano come fornitori di tecnologia o WISP BWA è stimolata dalla presenza di nicchie di mercato in ambito urbano, dove si riscontra un certo interesse per l offerta di reti alternative che possano fornire sia un back-up alle imprese (diversità nell accesso) che un accesso a basso costo per servizi di pubblica utilità e di superamento del digital divide, anche per l accesso delle fasce più deboli della popolazione. I grandi operatori hanno invece avviato alcuni trials in aree in cui il livello di penetrazione della larga banda è scarso o dove il livello di competizione non è elevato e quindi si possono raggiungere delle posizioni dominanti nel mercato. Questi operatori, fra cui Nextel, QWest, Covad, BellSouth, AT&T, Verizon, Sprint, hanno attivato o prevedono sperimentazioni nelle bande 2,5 GHz e 5,8 GHz. In particolare Verizon ha creato una controllata Verizon Avenue che ha come mission l offerta di soluzioni BWA. Dal punto di vista tecnologico, si individua una forte direttrice di sviluppo verso il WiMAX in tutte le sue declinazioni fisso e nomadico, che può trovare applicazione sia per l accesso, sia per il backhauling a seconda dei contesti. In contemporanea assistiamo al fenomeno del proliferare delle cosiddette reti wireless cittadine che, grazie alla soluzione WiFi Mesh, offrono una copertura metropolitana ponendosi come evoluzione del modello WiFi hot-spot. In Italia il Ministero delle Comunicazioni ha promosso, con il supporto della Fondazione Ugo Bordoni, una sperimentazione tecnica [16] con NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre

20 l obiettivo di indagare sulle effettive potenzialità ed i limiti della tecnologia WiMax. La sperimentazione, che prevede l utilizzo di specifiche porzioni della banda 3,5 GHz (normalmente utilizzata dal Ministero della Difesa), contempla al momento oltre 50 siti di prove tecniche, con apparati di svariati costruttori, e con la partecipazione di diversi soggetti, fra cui Telecom Italia. 6. Conclusioni L accesso broadband wireless è destinato a giocare un ruolo crescente nelle reti TLC, a causa dell evoluzione della domanda del mercato verso la larga banda e verso l ubiquità nell accesso ai servizi. Svariati fattori rendono non ovvie le scelte che dovranno essere fatte dai fornitori di reti e servizi TLC: lo scenario regolatorio, il formarsi, attorno a specifici standard, di aree di consenso sufficientemente ampie da rendere economicamente praticabile la diffusione di apparati di rete adeguati e di terminali interoperabili, la capacità dei nuovi servizi di soddisfare i reali bisogni dei diversi segmenti dei clienti finali. Molti sono gli aspetti su cui è necessario accrescere il livello di conoscenza e di maturazione, al fine di evitare errori di valutazione anche grossolani. Sul piano dell evoluzione delle tecnologie il settore del BWA è chiaramente in movimento, e, a fronte di obiettivi molto ambiziosi, è ragionevole aspettarsi che, per quanto riguarda le applicazioni fisse, nel 2006 sarà possibile verificare sul campo le caratteristiche dei primi sistemi certificati, mentre per le applicazioni mobili sarà necessario più tempo per poter disporre di elementi di valutazione oggettivi sulle reali potenzialità delle soluzioni attualmente in fase di definizione in particolare nei gruppi IEEE 802 e nel WiMAX Forum. D altra parte va tenuto presente che alcuni operatori e costruttori coreani si sono mossi in anticipo rispetto alla definizione degli standard con l obiettivo di offrire già dal 2006 servizi mobili broadband, con una soluzione, il WiBro, recentemente proposta come uno dei possibili profili mobili WiMAX. Complessivamente, le dimensioni dei business associati al settore rendono opportuno, per i key player, un attento monitoraggio dei passi di consolidamento delle opzioni tecnologiche, tenendo anche conto che lo scenario nel quale le valutazioni devono essere collocate è quello della convergenza fisso-mobile, nel quale si giocherà la competizione nei prossimi anni. BIBLIOGRAFIA [1] WiMAX_Plenary_and_Summit_Release_Final_2_.pdf [2] [3] [4] Forum_Regulatory_Whitepaper_v pdf [5] [6] D. Ceccarelli, G. Cecconi, A. Ciarniello, S. Marino, D. Roffinella, P. Senesi: Convergenza fisso-mobile: architetture e tecnologie, Notiziario Tecnico, Anno 14 n 1, Giugno 2005 [7] The_Business_Case-Rev3.pdf [8] [9] [10] C. Guerrini, A. Pace: HSDPA: la nuova generazione dell UMTS, Notiziario Tecnico, Anno 13 n 1, Giugno 2004 [11] [12] IEEE Std , IEEE Std for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems {Revision of IEEE Std (including IEEE Std , IEEE Std c-2002, and IEEE Std a- 2003)}, 01/10/04 [13] IEEE Std e-2005, Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems- Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands [14] WiMAX End-to-End Network Systems Architecture - Stage 2: Architecture Tenets, Reference Model and Reference Points, draft del [15] News&filearticle&sid4532 [16] [17] S.B. Weinstein, P.M. Ebert, Data Trasmission by Frequency-Division Multiplexing using the Discrete Fourier Trasform, IEEE Transaction on Communication Technology, Vol. COM-19, n 5, ottobre 1971, pp NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005