Il Wi-Fi e il suo uso per reti pubbliche

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1 Il Wi-Fi e il suo uso per reti pubbliche Francesco Vatalaro Dipartimento di Ingegneria dell Impresa Mario Lucertini Università di Roma Tor Vergata Padova, Orto Botanico - Aula Emiciclo, 27 Marzo 2015

2 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 2

3 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 3

4 Evoluzione della standardizzazione 4

5 Throughput senza contesa e interferenza 5

6 Contesa della risorsa radio Tecnica di accesso al canale CSMA (Carrier sense multiple access) Mutuata dalle reti cablate di calcolatori Il nodo è sempre in ascolto (delle carrier eventualmente attive) Trasmette solo se il canale appare libero Problema del nodo nascosto e problema del nodo esposto 6

7 Il fenomeno della contesa La tecnica CSMA non elimina del tutto le collisioni al terminale ricevente. Per effetto dell attenuazione nel collegamento, la potenza di segnale misurata in due posizioni differenti può essere molto diversa. Si hanno due casi: Nodo nascosto (Hidden node): Un nodo nascosto C è un nodo che si trova nel raggio di copertura del nodo destinazione (nodo B) ma fuori copertura del nodo sorgente A. Ossia i nodi A e C non possono rivelarsi a vicenda, essendo reciprocamente fuori copertura: le rispettive trasmissioni possono collidere al nodo B. Nodo esposto (Exposed node): problema duale che risulta in situazioni in cui una trasmissione sarebbe ammessa ma viene ritardata a causa dell ascolto di una trasmissione che non può interferire a destinazione (consegue perdita di capacità di trasmissione). Il nodo B intende trasmettere al nodo A ma rinvia la trasmissione se il è attivo nodo C che non può essere ascoltato dal nodo A. 7

8 Velocità effettiva e distanza dal AP Throughput di porte di accesso Wi-Fi di diversi costruttori in downlink in funzione della distanza: (a) banda 2,4 GHz; (b) banda 5 GHz 8

9 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 9

10 Installazioni annuali di AP carrier grade Hot Spot carrier grade nel Mondo: 88% Estremo Oriente 8% Europa 3 % Nord America 1 % Resto del Mondo 10

11 Modelli di Business Wi-Fi Principio della condivisione della risorsa: una porzione della banda e a disposizione degli altri clienti FON in spostamento. Copertura in Europa dell Operatore Wi-Fi FON. 11

12 Modelli di Business Wi-Fi In UK un cliente BT può aderire alla rete FON: effetto di moltiplicazione degli accessi Posizioni degli AP Wi-Fi dell operatore BT nella Città di Manchester 12

13 Altri modelli Francia L operatore Free (fibra ottica) ha aperto la propria comunità Wi-Fi a 4 mil. di HotSpot Non HotSpot pubblici ma privati, incorporati nei GW internet dei clienti residenziali ( Freebox Revolution ) Portogallo Rete MEO, condivisione del HotSpot, simile a FON; gli utenti possono usufruire di un cospicuo quantitativo di minuti di accesso all estero 13

14 Altri modelli Spagna Rete FON nata a Madrid in clima assai vivace (2005) Tentativi di allestire Reti Wi-Fi municipali con piani di finanziamento pubblico Barcellona, progetto Muniwireless (2010) esteso ad altre città (oltre 300 municipi) Oggi reti largamente abbandonate (problemi regolatori, di sostenibilità, scarsa manutenzione, etc.) Germania Reti open poco diffuse; problemi normativi Paesi Scandinavi Non esistono reti nazionali ma i cittadini hanno l abitudine di lasciare i loro accessi aperti 14

15 Altri modelli Repubblica Ceca Caso Praga : unico caso di rete municipale preso in esame dalla Commissione Europea (Caso NN 24/07) a seguito di esposti di operatori mobili Fase I del progetto ad uso della PA; Fase II per la cittadinanza. La Fase II fu ritirata a causa di criticità con norme in materia di concorrenza. USA Operatore via Cavo Comcast (1 al mondo): SSID unico per clienti in roaming (CableWi-Fi) Iniziativa HotSpot del Vicinato (polemiche!) Corea del Sud Paese probabilmente con massima densità di HotSpot Gestiti dagli Operatori di TLC e rigorosamente chiusi! 15

16 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 16

17 Proiezioni di uso dello spettro Sia in Europa che negli USA le previsioni di crescita rispetto all anno 2012 indicano un incremento al 2022 di oltre 20 volte Traffico mobile a banda larga (al netto del traffico di offloading) in multipli del valore all anno 2012: (a) UE28; (b) USA 17

18 Traffico dati in Italia Crescita traffico dati nelle reti mobili in Italia nel 2013 (fonte: Osservatorio Agcom) 18

19 Esigenze di spettro per il wireless 19

20 Problema della penuria di spettro Attualmente l ammontare di spettro a disposizione per le comunicazioni mobili a banda larga e di circa 900 MHz, di cui circa il 65% per il cellulare e il rimanente per il Wi-Fi. Nello scenario più ottimistico si può pensare di liberare circa 500 MHz di nuovo spettro entro il 2020, in assoluto una quantità senz altro cospicua, ma ancora inadatta ai trend di crescita della domanda di capacità che proviene dalla Società Inoltre lo spettro, cosi come e oggi impiegato, soffre di numerose inefficienze sistemiche anche per l effetto dei paradigmi di uso che si sono affermati nel tempo. Pertanto la ricerca di nuovi modelli di accesso efficiente alle risorse potrebbe rappresentare l approccio più efficace in termini di risultati utili 20

21 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 21

22 Soluzioni per la crescita del traffico Una prima soluzione è espandere in fretta la rete LTE installando nuove celle (macrocelle, picocelle, femtocelle) nello spettro soggetto a licenza. Questa strategia, se adottata in modo generalizzato, non sembra essere vincente nell immediato: da un lato un potenziamento spinto della rete LTE appare sconsigliabile sul versante dei costi e della fattibilità, anche a causa delle difficoltà di reperimento dei siti, dall altro, soprattutto in una struttura tariffaria di tipo flat, con i ricavi sostanzialmente indipendenti dalla quantità dei dati, l approccio è sconsigliato anche sul versante dei ricavi Il combinato dei costi alti e degli scarsi ricavi determina piani di business di solito non sostenibili. 22

23 Soluzione temporanea: Offloading L ubiquità del Wi-Fi fa sorgere spontanea l ipotesi di sue forme di integrazione o uso coordinato con le reti degli operatori. Specialmente quelli che possiedono reti cellulari 3G e 4G nei paesi ad alto sviluppo di banda ultralarga tendono a considerare il Wi-Fi un opportunità per consentire ai loro clienti di scaricare traffico dati e video Per lo stesso motivo cattura sempre più attenzione lo scarico, o offload, del traffico 3G/4G tramite porte d accesso Wi-Fi. 23

24 Scenari d uso del Offloading I PRINCIPALI SCENARI D USO DELLO SCARICO DEL TRAFFICO ATTRAVERSO IL WI-FI SONO DUE: porte Wi-Fi pubbliche degli stessi operatori 3G/4G o di altri fornitori di accesso Wi-Fi uso degli AP Wi-Fi nelle abitazioni ove è già arrivata la rete a banda ultra larga: in qualche caso gli operatori 3G/4G hanno anche iniziato a fornire gli apparati 24

25 Offloading per ridurre la congestione delle reti... Secondo uno studio sperimentale svolto in Corea del Sud lo scarico on-the-spot può alleggerire il carico totale di traffico circa del 65%, mentre quello ritardato con tempo massimo di 100 secondi può convogliare un quantitativo di traffico molto piccolo (stimato in 2%-3%); Gli autori concludono quindi che lo scarico è un mezzo efficace per supportare la crescita del traffico attuale e futuro e che i gestori di rete trarranno benefici in termini di sviluppo graduale e di aggiornamento delle loro reti MA 25

26 In una analoga sperimentazione giapponese. la quantitità di traffico scaricato nelle ore di punta dei giorni feriali è risultata modesta quindi il Wi-Fi offload si è svolto prevalentemente dagli AP posti in casa, mentre l uso degli hotspot pubblici è risultato raro portando quindi scarsi benefici Gli autori a riguardo avanzano alcune supposizioni circa il motivo dello scarso impiego del Wi- Fi pubblico : 1. molti utenti hanno tenuto disattivata la connessione Wi-Fi fuori di casa per risparmiare energia; 2. l handover fra AP Wi-Fi potrebbe non avere funzionato bene per effetto dei rapidi spostamenti degli utenti; 3. al di fuori delle aree del centro la disponibilita del Wi-Fi pubblico potrebbe essersi rivelata non molto elevata; 4. nelle zone del centro si è avuta interferenza a causa del gran numero di punti di accesso. 26

27 Quindi al di fuori di casa e ufficio gli utenti probabilmente hanno bisogno di connessione a internet per applicazioni poco esigenti di traffico (ad es. controllare le , semplice navigazione web), piuttosto che per applicazioni bandwidth hungry. In questo caso la disponibilità e la connettività sono probabilmente più importanti della larghezza di banda per il Wi-Fi pubblico. 27

28 INOLTRE altre misurazioni sul campo condotte di recente da Deutsche Telekom hanno mostrato che dopo l introduzione dell offload Wi-Fi la domanda di dati via cellulare è aumentata e non diminuita. Le campagne di misura, eseguite ad Amburgo e a Rotterdam, hanno usato hotspot Wi-Fi in spazi aperti in alternativa alle reti 3G e LTE. I risultati hanno mostrato un impatto quasi inesistente sul traffico delle reti cellulari, con addirittura qualche incremento in alcuni casi. A tal proposito gli sperimentatori sostengono di avere scoperto due effetti fondamentali: la disponibilita del Wi-Fi sembra invitare all utilizzo di dati aggiuntivi le applicazioni e i dispositivi si comportano in modo diverso quando è disponibile l accesso Wi-Fi 28

29 Per essere presa in seria considerazione dagli operatori 3G/4G, una rete Wi-Fi dovrebbe essere una soluzione carrier-grade ossia affidabile proprio come una rete cellulare, offrendo sostanzialmente più capacità senza rinunciare totalmente alla qualità del servizio. Questo, è attualmente un problema aperto. 29

30 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 30

31 Integrazione fra Wi-Fi e LTE 31

32 Tipologie di piccole celle 32

33 Reti eterogenee Regioni di copertura nel downlink a max SINR in una rete a tre strati : Macrocelle (rosso) Picocelle (verde) Femtocelle (nero) 33

34 Contenuti Evoluzione e caratteristiche tecniche Modelli di Business proposti Evoluzione del traffico mobile Scarico dati e soluzioni carrier grade Integrazione con le reti LTE Il futuro del Wi-Fi: opportunità e minacce 34

35 Nuovi paradigmi per l uso dello spettro Le attuali reti di accesso wireless sono state sviluppate in modo frammentario e scoordinato, senza una visione di insieme. Un indicatore interessante di questo scoordinamento sistemico generato dalle rigide policy di gestione dello spettro è proprio l offloading Wi-Fi che gli operatori mobili hanno escogitato in modo spontaneo. L offloading Wi-Fi infatti altro non è che un modo per collegare due sistemi e le relative bande di frequenza, ottimizzando i parametri tecnico-economici e aggirando regole troppo rigide. 35

36 Nuovi paradigmi per l uso dello spettro In passato, ricerca dell efficienza spettrale fortemente influenzata dalle limitazioni tecnologiche: oggi, strumenti per una visione globale dello spettro il cui uso può essere ottimizzato abbattendo barriere regolamentari ormai in buona parte obsolete. Nel futuro prossimo, necessaria maggiore flessibilità a partire dalla pianificazione, costruzione e gestione delle reti. Primo esempio di questo cambio di paradigma: proposta di usare la banda Wi-Fi a 5 GHz anche per le pico/femtocelle. Così è possibile parziale recupero dell uso inefficiente di risorse spettrali unlicensed, con impiego dei sistemi per uso di bande licensed Si potrebbe trattare dunque di un primo esempio di uso condiviso di una banda da parte di operatori fino ad oggi adusi ad ottimizzare i propri sistemi su risorsa dedicata 36

37 Nuovi paradigmi per l uso dello spettro Senza la correzione di barriere regolatorie oramai antistoriche che limitano o addirittura rendono impossibile un uso più efficiente delle risorse spettrali a disposizione dei servizi mobili, anche in questo settore potranno insorgere tutte le difficoltà che stanno già da tempo affliggendo l accesso e il trasporto in internet con reti fisse, con conseguente impoverimento e marginalizzazione della presenza industriale europea nelle comunicazioni mobili. 37

38 Ottimizzazione dinamica dello spettro 38

39 Tecniche cooperative 39

40 Altre soluzioni per l uso ottimo dello spettro Tecniche di ottimizzazione dello spettro Abbattimento delle tradizionali barriere nell uso dello spettro Promozione di tecnologie di strato fisico per l uso combinato di più canali Trasferimento del controllo dal centro alla periferia Reti virtuali over the top 40

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