Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless?

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1 MOBILE Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? ENRICO BURACCHINI PAOLO GORIA ALESSANDRO TROGOLO Nell articolo è descritta, nell ambito dei sistemi wireless e dei servizi radiomobili, una panoramica dei concetti dei sistemi SDR (Software Defined Radio) e di CR (Cognitive Radio), delle relative attività di ricerca in Europa e delle recenti attività di standardizzazione in ITU (International Telecommunication Union) e ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Gli autori illustrano poi lo scenario di possibili soluzioni, a medio e lungo termine, legate agli SDR e CR che coinvolgono i nodi di rete e l allocazione dello spettro. 1. Introduzione Dai primi anni 80 si è assistito alla crescita esponenziale dei sistemi wireless e dei servizi radiomobili che ha portato alla definizione di numerosi standard. In tale ambito, negli ultimi anni sono emersi i concetti di SDR (Software Defined Radio) e di CR (Cognitive Radio), prima nei contesti di ricerca e recentemente anche in quelli di standardizzazione, come una potenziale soluzione pragmatica: un implementazione software degli apparati in grado di adattarsi dinamicamente all ambiente in cui vengono di volta in volta a trovarsi. Infatti, il termine Software Defined Radio significa funzionalità radio definite via software, intendendo con ciò la possibilità di definire via software quelle funzionalità tipiche di un interfaccia radio, che normalmente sono implementate nei trasmettitori e ricevitori mediante un hardware appositamente dedicato. La presenza del software di definizione dell interfaccia radio, implica necessariamente l impiego di processori, ad esempio DSP (Digital Signal Processor), in sostituzione dell hardware dedicato, per l esecuzione in tempo reale del software relativo all interfaccia radio considerata. Con il termine Cognitive Radio s intende la funzionalità ulteriore di capacità di adattamento e intelligenza degli apparati, aggiunta al concetto di Software Defined Radio : in questo modo, un apparato Cognitive Radio in futuro potrebbe essere in grado di adattarsi alle variazioni delle condizioni radio o di traffico tra diversi sistemi, anche in scenari che prevedano metodologie di gestione dello spettro più flessibili. Nel seguito si intende offrire una panoramica dei concetti di SDR e di CR, delle relative attività di ricerca in Europa e delle recenti attività di standardizzazione in ITU ed ETSI nonchè delle possibili soluzioni a medio e lungo termine. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre

2 2. Software Defined Radio Una definizione rigorosa del concetto di Software Defined Radio non esiste, sebbene da più fronti sia stata manifestata l esigenza di chiarire con precisione che cosa si intenda per SDR. Alcune definizioni che sovente si trovano in letteratura sono [1]: Architettura del TX/RX flessibile, controllata e programmabile via software; Signal processing in grado di sostituire il più possibile le funzionalità radio; Schema di trasmissione/ricezione flessibile ed adattativo; Air Interface Downloadability : equipaggiamento radio riconfigurabile dinamicamente, via downloadable software, ad ogni livello della pila dei protocolli; Transceiver in cui si possono definire via software: - la banda di frequenza e la larghezza di banda del canale radio; - lo schema di modulazione e di codifica di canale; - i protocolli di gestione delle risorse radio e della mobilità; - le applicazioni d utente. Tali parametri possono essere adattati e cambiati da: - operatore di rete; - service provider; - utente finale. Quindi, riassumendo, si potrebbe usare la seguente definizione [1]: Il Software Defined Radio è una tecnologia emergente, pensata per la costruzione di sistemi radio flessibili, multi-standard, multi-band, riconfigurabili e riprogrammabili via software. La flessibilità di un sistema SDR consiste nella capacità di operare in ambienti multi service, senza però essere vincolato ad un particolare standard, ma offrendo servizi secondo uno qualunque dei sistemi già standardizzati o di futura standardizzazione, su una qualunque banda di frequenze. La compatibilità di un sistema SDR, con uno qualunque dei sistemi radio definiti, è possibile grazie alla sua riconfigurabilità, cioè dalla riprogrammabilità dei suoi processori, che, in tempo reale, implementano l interfaccia radio e i protocolli di livello superiore. La strada intrapresa, per arrivare alla costruzione di un sistema SDR, prevede, innanzitutto, il conseguimento di due obiettivi principali [1, 2, 3]: 1) spostare, nei trasmettitori e ricevitori, il confine tra il mondo analogico e digitale sempre più verso la radio frequenza (RF), tramite l adozione di convertitori A/D e D/A a larga banda il più vicino possibile all antenna; 2) sostituire la tecnologia ASIC (Application- Specific Integrated Circuit - hardware dedicato) con la tecnologia DSP, per l elaborazione del segnale in banda base, al fine di definire, il più possibile, via software, le funzionalità radio. Il primo obiettivo, in realtà, non è esclusivo del SDR; si pensi, ad esempio, agli sforzi che da anni si stanno compiendo nella realizzazione dei cosiddetti Wideband Transceiver, il cui obiettivo primario è stato quello di espandere il mondo digitale fino allo stadio di frequenza intermedia (IF), lasciando analogica solo la parte RF. L obiettivo finale è poi quello di puntare alla costruzione di transceiver interamente digitali. SDR cerca di fare propri i risultati ottenuti nel campo della costruzione dei Wideband Transceiver, per andare oltre, introducendo la possibilità di riprogrammare l intero sistema. La sostituzione della tecnologia ASIC con la tecnologia DSP consente le seguenti opzioni: a) implementazione via software delle funzionalità di banda base quali, ad esempio, codifica, modulazione, equalizzazione, pulse shaping, ; b) riprogrammabilità del sistema per garantire una modalità di lavoro multistandard. È importante notare che con Digital Signal Processing s intende proprio il concetto di elaborazione digitale del segnale; quindi non solo DSP chipsets in senso stretto, ma anche FPGA (Field Programmable Gate Array) e processori general purpose quali, ad esempio, quelli della famiglia Intel [2]. Attualmente l ASIC è la tecnologia prevalente nella costruzione di trasmettitori e ricevitori, e le soluzioni circuitali adottate dalle varie manifatturiere risultano essere fortemente proprietarie. L uso dei DSP rappresenta tuttavia una realtà già affermata; infatti, molte stazione radio base UMTS fanno un uso massiccio di DSP e di FPGA per il processing di banda base. In questi casi, non si può ancora parlare di sistemi SDR, in quanto non tutte le funzionalità di banda base (ad esempio il Rake Receiver) sono implementate su DSP e, inoltre, il software è limitato e pre-caricato per cui l intero sistema rimane vincolato ad un tipo specifico di interfaccia radio, senza alcuna possibilità di riconfigurazione. Lo schema ideale di un transceiver SDR presenta uno stadio analogico ridotto ai minimi termini: gli unici componenti analogici sono l antenna, il filtro passa banda e l amplificatore a bassa cifra di rumore. La conversione analogico digitale viene effettuata subito a radio frequenza, in modo da poter effettuare l elaborazione del segnale in modo completamente digitale, su una board completamente riprogrammabile. Lo schema di ricevitore SDR illustrato nella figura 1 è definito ideale per una serie di motivi ADC BPF DSP LNA BPF LNA Analogic to Digital Converter Band Pass Filter Digital Signal Processor Low Noise Amplifier ADC Base Band Processing DSP FIGURA 1 Schema di ricevitore Software Defined Radio ideale. 4 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008

3 che lo rendono di difficile realizzazione pratica. Innanzitutto, non è pensabile l impiego di un solo stadio RF per un sistema multi-band, a causa dell impossibilità di costruire antenne e amplificatori a bassa cifra di rumore, su una banda di lavoro che si estende in teoria da qualche decina/centinaio di MHz fino alla gamma dei GHz; attualmente l unico modo per garantire l operabilità in multi-band è quello di costruire più stadi RF a seconda delle bande di impiego del sistema SDR, o limitare la stadio unico RF ad una gamma di frequenze ben limitata e precisa. Inoltre, problemi di jitter rendono impraticabile la conversione A/D, applicata direttamente a RF. La soluzione che risulta al momento più praticabile è nota con il nome di Digital Radio Transceiver, il cui schema di ricezione è illustrato in figura 2. La sua struttura ricalca quella normalmente adottata per i Wideband transceiver con la parte RF completamente analogica ed il mondo digitale che si estende fino allo stadio IF. ADC BPF DSP LNA LO PDC BPF Il convertitore analogico digitale (ADC) campiona l intero spettro allocato al sistema; il Programmable Down Converter provvede ad effettuare le seguenti operazioni: down conversion: conversione numerica da frequenza intermedia (IF) a banda base (BB) mediante l impiego di una look-up table che contiene i campioni di una portante sinusoidale. La look-up table sostituisce l oscillatore locale utilizzato per i down converter analogici; canalizzazione: selezione della portante da elaborare, mediante una operazione di filtraggio numerico. Questa operazione nei ricevitori analogici viene effettuata mediante un filtro analogico, con specifiche alquanto rigorose, prima della conversione in BB; sample rate adaptation: sotto-campionamento del segnale in uscita dal filtro di canalizzazione per adeguare il rate dei campioni alla larghezza di banda del segnale selezionato che risulta essere un segnale a banda stretta se paragonato al segnale a tutto spettro in ingresso al convertitore ADC. Il segnale numerico in uscita dallo stadio IF viene poi sottoposto al processing di banda base. La costruzione di un Digital Radio Transceiver presenta, tuttavia, non poche difficoltà in entrambi gli stadi IF e BB. Per lo stadio IF sussistono problemi essenzialmente di natura tecnologica legati alle prestazioni dei convertitori A/D e D/A che impongono una scelta di compromesso tra velocità di campionamento e risoluzione: maggiore è la velocità di campionamento e minore è il numero di LNA LO bit con cui si possono rappresentare i campioni. Anche in banda base sussistono problemi di carattere tecnologico legati alla potenza di calcolo e al consumo di potenza dei DSP. È necessario reperire una potenza di calcolo sufficiente da consentire l esecuzione in real-time del software che definisce l interfaccia radio. Questo può richiedere l impiego di più processori in parallelo a seconda della complessità delle interfacce radio da implementare [4]. BPF Ampl. ADC Programmable Down Converter PDC RF stage IF stage BB stage Analogic to Digital Converter Band Pass Filter Digital Signal Processor Low Noise Amplifier Local Oscillator Programmable Down Converter FIGURA 2 Schema di un ricevitore Digital Radio. Base Band DSP L impiego di DSP nel processing di banda base deve in ogni caso sottostare a dei vincoli ben precisi, che risultano particolarmente stringenti se considerati dal punto di vista di un terminale mobile: limitata complessità circuitale; basso costo; basso consumo di potenza; ridotte dimensioni del transceiver. Inoltre, nello stadio BB vanno risolti problemi di tipo progettuale, relativi alla scelta ottimale della architettura hardware e software da adottare. La figura 3 riassume le esigenze tecnologiche per una completa realizzazione di un apparato SDR. Peculiarità del SDR Flessibilità Adattatività Multimode/ Multiband/ Multistandard Signal Processing adattativo Esigenze tecnologiche Stadio RF a larga banda Stadio di conversione A/D-D/A a larga banda, ad alta velocità e risoluzione Dispositivi di signal processing con elevata capacità elaborativa (DSPs, FPGAs, microprocessori) Software DSP Digital Signal Processor FPGA Field Programmable Gate Array SDR Software Defined Radio FIGURA 3 Esigenze tecnologiche per la realizzazione di un terminale Software Defined Radio. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre

4 I vincoli suddetti fanno sì che le prime soluzioni SDR saranno principalmente presenti nelle stazioni radio base, in cui i vincoli di consumo e spazio disponibili sono minori rispetto ad un terminale mobile. Infatti una soluzione commerciale di BTS SDR, già disponibile sul mercato e basata su banda base completamente implementata su processori della famiglia Intel e software proprietario, è offerta da Vanu [5]. Al momento gli standard implementati sono il GSM/GPRS e il CDMA 1xRTT mentre è in via di sviluppo il WCDMA. La sezione RF della soluzione Vanu è del tutto off the shelf e prevede in principio un blocco distinto per ciascuna banda licenziata utilizzata dall'operatore con una banda massima di campionamento pari a 25 MHz. Una soluzione come quella di Vanu è in linea con l'approccio Digital Radio Transceiver descritto sopra per cui le funzionalità di bandabase sono interamente realizzate in software, mentre la parte RF prevede un processo di canalizzazione e di down-conversion. Tale soluzione prevede la possibilità di operare con più standard in parallelo nella stessa BTS (es. GSM e CDMA), condividendo le risorse elaborative, ma non risulta ad oggi disponibile un sistema di riconfigurazione dinamica. Altre soluzioni simili sono disponibili, come ad esempio quella del trial di Vodafone con stazioni radio base SDR multi-modo che supportano simultaneamente GSM e WCDMA [6], o, lato terminale, le soluzioni SDR di ICERA per modem HSDPA/HSUPA [7]. 3. Cognitive Radio e Cognitive Networks Il termine Cognitive Radio (CR) è stato utilizzato per la prima volta da Joseph Mitola III nel 1999 [8] per indicare il concetto di un sistema wireless che ha consapevolezza dell'ambiente in cui si trova e della propria struttura interna. Un CR può sfruttare l'esperienza pregressa e la propria capacità di comprensione per migliorare meccanismi di adattamento già noti (quali ad esempio link-adaptation sulla base della stima di canale), oppure per informarsi sull'uso dello spettro nella zona in cui si trova e quindi selezionare le Base Station (BS), gli Access Point (AP) o in generale i nodi dell'infrastruttura di rete più opportuni. Un dispositivo CR può persino apprendere dalle informazioni che sono scambiate dall'utente al fine, per esempio, di adattare il consumo di potenza e la tecnica di ricerca della rete alle abitudini dell'utilizzatore. In generale, un dispositivo CR agisce seguendo due obiettivi primari [9]: 1) alta affidabilità della comunicazione senza vincoli di spazio e di tempo; 2) utilizzo efficiente dello spettro radio. Mitola definisce il CR come il punto in cui i wireless Personal Digital Assistants (PDAs) e le relative reti sono sufficientemente intelligenti in merito alla gestione delle risorse radio ed alle relative procedure di comunicazione machineto-machine al fine di: (a) identificare i bisogni comunicativi dell'utente in funzione del contesto di utilizzo e (b) fornire le risorse radio ed i servizi wireless più adatti a tali bisogni. Su questa base, un CR può selezionare automaticamente il servizio migliore per una trasmissione radio e può persino gestire temporalmente le diverse trasmissioni secondo le risorse disponibili. La definizione da Mitola è molto ampia, pertanto solitamente un dispositivo che rispetti tale definizione viene indicato come Full Cognitive Radio. Recentemente il termine CR è stato utilizzato con definizioni più circoscritte. A tale proposito, la FCC (Federal Communication Commission) afferma che qualsiasi dispositivo radio in grado di adattarsi allo spettro disponibile dovrebbe essere indicato come Cognitive Radio [10]. Più precisamente, la definizione da FCC è la seguente: Un Cognitive Radio è un dispositivo radio che può adattare i parametri di trasmissione sulla base dell'interazione con l'ambiente in cui opera. La maggior parte dei dispositivi CR sarà probabilmente basata sulla tecnologia SDR, ma i requisiti di un CR non prevedono di essere basati su software o di essere riprogrammabili. Un CR è un'entità che percepisce il relativo ambiente, ne raccoglie i dati, ottiene informazioni dai dati raccolti, identifica le strategie da adottare dalle informazioni raccolte e trasforma queste strategie in azioni. Pertanto, in principio ogni CR è basato su una piattaforma SDR, pur non essendo questo un requisito strettamente necessario. Infatti, un dispositivo CR differisce dagli altri dispositivi radio per la possibilità di apprendimento, non per il fatto di essere basato su SDR. Tuttavia, il beneficio di una piattaforma SDR è sicuramente notevole, in quanto permette di realizzare le funzionalità di apprendimento e ragionamento del dispositivo via software tramite algoritmi di alto livello, ad esempio adattativi o di machine-learning. Una rappresentazione di tali funzionalità di apprendimento e di azione di un dispositivo CR è dal Cognition Cycle [8] indicato nella figura 4. Infer on Context Hierarchy: Pre-Process Parse ORIENT OBSERVE LEARN PLAN Outside World New States Prior States Send a Message Set Display ESTABLISHED PRIORITY ACT Save Global States FIGURA 4 Cognition Cycle proposto da Mitola [8]. IMMEDIATE URGENT NORMAL Allocate Resources Initiate Process(es) Register to Current Time DECIDE 6 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008

5 Il Cognition Cycle rappresenta l'insieme degli stati, delle azioni e delle interazioni che il dispositivo CR compie al fine di comprendere e conoscere il mondo esterno e di adattarsi agli stimoli ed alle indicazioni ricevute. Il primo stato del ciclo è Observe nel quale il dispositivo CR osserva il relativo mondo esterno. Chiaramente, i sensori ed i dati da questi ottenuti, rappresenteranno il mondo esterno attraverso opportuni parametri osservabili, in modo da essere processati facilmente dal dispositivo. I dati estratti nello stato di ascolto vengono processati preliminarmente nello stato Orient durante il quale viene presa una decisione sull'urgenza dell'azione da intraprendere. A tale proposito sono previste tre categorie di urgenza ( immediate, urgent e normal ), che riflettono il tempo rimasto prima dell'esecuzione dell'azione stessa. Il livello immediate indica che non c'è tempo per scegliere una strategia e va intrapresa immediatamente un'azione già predeterminata in passato passando nello stato Act. Il livello urgent indica che c'è tempo per selezionare la strategia all'interno dell'insieme delle strategie note, ma evitando di cercare nuove strategie; si passa pertanto nello stato Decide di decisione della strategia e quindi nello stato Act di azione. Infine, il livello normal prevede che il dispositivo cerchi anche nuove strategie oltre quelle già note passando nello stato Plan. A seguire, il dispositivo passa nello stato Decide di decisione della strategia e quindi nello stato Act di azione. Gli output degli stati Observe, Plan e Decide, insieme ai dati ricavati dal mondo esterno, sono processati nello stato Learn durante il quale il dispositivo CR apprende dalle azioni intraprese. Va notato, però, che né lo stato Orient né lo stato Act forniscono input allo stato di apprendimento, quindi non c'è conoscenza della reazione agli stimoli che avviene in tali stati. In alternativa, è anche possibile che le reazioni agli stimoli vengano incluse tra i dati osservati nello stato Observe, andando a essere compresi nei blocchi Prior State e New State che indicano lo stato osservato prima e dopo l'azione. In questo caso, pertanto, gli stati Plan e Decide non hanno più necessità di inviare informazioni allo stato Learn. Un aspetto importante che va tenuto in conto è la fattibilità dei dispositivi CR. In particolare, ciascuna fase del ciclo descritto ha requisiti non banali: la fase Observe è sicuramente cruciale per un dispositivo CR, in quanto permette di avere conoscenza del mondo esterno, tenendo conto che un errore di rilevamento in questa fase può portare il dispositivo ad agire in modo sbagliato e persino dannoso; gli aspetti di maggior interesse per la ricerca riguardano la metodologia di conoscenza dello spettro (es. scansione e Cognitive Pilot Channel), l'affidabilità, la rapidità ed il consumo di energia di tale metodologia e, infine, la gestione della mobilità; la fase Orient prevede di identificare le priorità tra i diversi stimoli dal mondo esterno e l'accodamento adattativo del processamento dei diversi stimoli; la fase Plan permette al dispositivo di determinare le diverse strategie da utilizzare, pertanto è richiesto che ci sia una completa conoscenza dello stato interno e delle conseguenze di ciascuna strategia; nella fase Decide è importante che il dispositivo selezioni l'azione da intraprendere tenendo conto anche delle preferenze e abitudini dell'utilizzatore nonchè dell'esperienza passata; nella fase Act il dispositivo deve essere in grado di riconfigurare il proprio stato interno in modo conforme alla decisione presa e, nel caso di piattaforma SDR, deve anche essere in grado di scaricare il software necessario all'azione per riprogrammare le funzionalità coinvolte; nella fase Learn il dispositivo deve essere in grado di memorizzare, identificare e classificare le diverse situazioni (in modo da poterle riconoscere in futuro e agire di conseguenza) tenendo conto del comportamento dell'utilizzatore e dei risultati ottenuti. Inoltre, il dispositivo deve essere in grado di adattare le diverse fasi del ciclo in base all'apprendimento effettuato. Inizialmente il concetto di Cognitive Radio prevedeva l'applicazione al solo dispositivo d'utente, quindi al terminale mobile. Ultimamente, però, negli ambienti di ricerca e di standardizzazione si sta assistendo ad una generalizzazione del concetto di CR, in modo da applicarlo a qualsiasi dispositivo della rete. In particolare, si parla sempre più di Cognitive Radio Systems, vale a dire di sistemi radio nella loro interezza (terminale e rete) basati su capacità cognitive. A tale proposito, in ambito ITU-R, nel gruppo WP 5A è in corso la preparazione di un documento che descriva nella loro interezza i CRS, partendo dalla definizione e toccando i diversi aspetti tecnologici e applicativi. Da evidenziare è anche l apertura in ambito Europeo di un comitato il cui mandato è quello di compiere uno studio di fattibilità su alcune tematiche relative al SDR, CR e CRS, con lo scopo di valutarne la possibilità di standardizzazione in ETSI. In particolare, il TC RRS (Technical Committee Reconfigurable Radio System) affronta tematiche riguardanti gli aspetti di sistema (architettura e requisiti) dell architettura dei dispositivi radio riconfigurabili (quindi sia lato terminale che lato rete), delle funzionalità di rete peculiari dei sistemi riconfigurabili, del Cognitive Pilot Channel (maggiori dettagli sono riportati nel seguito dell articolo) e di sicurezza pubblica. Un'applicazione molto importante dei CRS è quella delle Cognitive Networks (CN) dove il concetto di Cognitive Radio viene applicato al dominio della rete. Pertanto, una CN è una rete in grado di adattare il proprio comportamento in base alla conoscenza dell'ambiente in cui si trova. In principio, una CN è una rete caratterizzata dalle seguenti due entità e funzionalità: Cognitive Network Management; Base Stations riconfigurabili. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre

6 La funzionalità di Cognitive Network Management abbraccia le diverse Radio Access Technologies (RAT), andando a gestire e controllare i nodi della rete al fine di adattarli alla configurazione ottimale di utilizzo delle risorse radio. Tale funzionalità può agire sulla base di alcune informazioni in input, come per esempio le risorse disponibili, le richieste di traffico, le caratteristiche dei terminali in ciascuna cella (RAT supportati, bande di frequenza,...) ed i servizi richiesti da ciascun utente (banda, QoS,...). In aggiunta, tale funzionalità può avvalersi di uno schema di gestione delle risorse radio di tipo collaborativo dove le funzioni di decisione sono condivise tra i diversi nodi di rete. Le Base Stations riconfigurabili sono i nodi che costituiscono fisicamente la CN. La caratteristica principale di tali nodi è quella di avere risorse hardware ed elaborative che possono essere riconfigurate dinamicamente, in modo da essere utilizzate con diversi RATs, diverse frequenze, diversi canali, potendo anche operare in modalità multi-rat sulla base, ad esempio, di una gestione dinamica del carico. Dal punto di vista costruttivo, pertanto, le stazioni radio base riconfigurabili possono essere realizzate mediante piattaforme SDR costituendone un importante ed utile evoluzione. Un aspetto interessante delle CN, è la possibilità di introdurre i cosiddetti Cognition Radio Enablers, vale a dire i dispositivi di supporto alla fase di Observe dei terminali, per la conoscenza dello stato dello spettro, come ad esempio il Cognitive Pilot Channel. In conclusione, la disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili, insieme alle funzionalità di Cognitive Network Management può dare agli Operatori strumenti aggiuntivi di gestione delle risorse radio e delle risorse elaborative, in modo da raggiungere una maggiore efficienza nel loro utilizzo. 4. Soluzioni a medio e lungo termine Di seguito sono descritte le possibili soluzioni a medio e lungo termine legate ai sistemi SDR e CR che coinvolgono i nodi di rete e l'allocazione dello spettro. In particolare, vengono affrontate le tematiche legate alla disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili e agli schemi di gestione dello spettro di tipo dinamico. Il progetto europeo E 3 Il progetto E 3 (End-to-End Efficiency) è un Integrated Project (IP) europeo nell'ambito del Settimo Programma Quadro (FP7) di ricerca della Comunità Europea, è attivo da gennaio 2008 ed ha durata biennale. Fanno parte del progetto ventuno partner, tra cui cinque manifatturiere (Motorola, Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia e Thales Communications), quattro Operatori (Telecom Italia, Telefonica, Deutsche Telekom e France Telecom), quattro regolatori (inglese, francese, tedesco, olandese) e otto Università e centri di eccellenza. Il progetto ha come obbiettivo primario quello di studiare i Cognitive Radio Systems al fine di renderli parte integrante dei sistemi Beyond 3G e seguenti, con lo scopo di evolvere l'attuale contesto di reti eterogenee verso un framework cognitivo integrato, scalabile ed efficiente. Il progetto E 3 è la continuazione dei progetti europei E 2 R (End-To-End Reconfigurability) phase I, iniziato nel 2004, e phase II, iniziato nel 2006, del Sesto Programma Quadro (FP6) di ricerca della Comunità Europea. Telecom Italia è stata membro di entrambi i progetti. Il contesto di riferimento del progetto è riportato in figura A, dove sono rappresentati le diverse entità e funzionalità oggetto di studio: gli accessi radio dei diversi sistemi, i nodi di gestione delle Cognitive Networks, i cognition radio enablers come il ed i terminali riconfigurabili. Cognitive Network operations are orchestrated by an Access broker BackBone Network Network Management Cognitive Radio Multi Standard Base Station Network (MSBS) Reconfiguration Management Cognitive Pilot Channel Legacy handset Cognitive Radio Multi Standard Base Station (MSBS) Il progetto E 3 partecipa attivamente anche alle attività di standardizzazione degli aspetti legati ai Cognitive Radio Systems in ITU-R e ETSI, attraverso alcuni dei suoi membri. Telecom Italia è membro del progetto e ricopre il ruolo di leader del gruppo di lavoro dedicato alle tecnologie di supporto per la gestione di reti eterogenee, tra cui è rilevante il Cognitive Pilot Channel (). Cognitive Network operations are orchestrated by an Access broker BackBone Network Network Management Cellular Systems Metropolitan Area Short Range Wide Range Systems Systems 3GPP Post (LTE) 3GPP/ 4GPP WiMax WiMax NG Cognitive Radio Cellular Phone Terminal Reconfiguration Management Latest generation WiFi (IEEE a or similar) WiFi NG (IEEE n,...) Cognitive Radio Cellular Phone Terminal Reconfiguration Management FIGURA A Contesto di riferimento del progetto E 3 (fonte: Network Reconfiguration Management Cognitive Pilot Channel 8 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008

7 4.1 BTS riconfigurabili Nelle reti attuali, gli elementi che costituiscono la rete di accesso radio sono propri del sistema cellulare di appartenenza (per esempio BTS e BSC nel caso GSM/(E)GPRS, NodeB e RNC nel caso UMTS) e non sono interscambiabili tra i diversi sistemi. Dal punto di vista hardware, ogni stazione radio base è in grado di gestire un numero massimo di risorse radio relative al sistema per cui è stata progettata, in modo dipendente dalla complessità e dalla quantità di hardware con cui è stata assemblata. In generale, ogni base station può essere vista come un apparato in cui è possibile variare la capacità ricetrasmissiva, aumentando o diminuendo il numero di risorse hardware (es. transceivers) unicamente in maniera statica e a posteriori, a valle di successive ri-pianificazioni cellulari. Inoltre, nonostante le stazioni radio base di seconda e di terza generazione siano sovente tra loro collocate, le reti di accesso radio sono in linea di principio tra loro disgiunte. In generale, quindi, allo stato attuale un Operatore radiomobile che voglia operare con più sistemi deve avere una rete fisicamente costituita da più reti di accesso che condividono al più gli stessi cabinet. La situazione può cambiare radicalmente nel caso si prendano in considerazione i sistemi riconfigurabili nello sviluppo della rete, in particolare nel dispiegamento delle stazioni radio base, compiendo un primo passo verso le Cognitive Networks. I vantaggi per un Operatore derivanti dall utilizzo di una tecnologia di questo tipo, infatti, sono i più svariati. Ad esempio, considerando un insieme ampio di celle adiacenti di una certa area (es. una città od il suo centro), è possibile che il traffico di uno stesso sistema o di sistemi diversi, vari da una zona all altra al variare delle ore del giorno. Può inoltre succedere che ci siano celle congestionate, cioè caratterizzate da alte probabilità di blocco delle chiamate/connessioni, in alcune zone (dette hot spots) in cui il traffico è più consistente, mentre celle circostanti siano scariche o caratterizzate da basse probabilità di blocco. Attraverso l impiego di sistemi riconfigurabili e di opportuni algoritmi di Radio Resource Management (RRM) sarebbe possibile, ad esempio, ridurre dinamicamente il blocco di una cella o di un insieme di celle attingendo ed utilizzando le risorse assegnate alle celle circostanti, caratterizzate da un blocco minore o nullo. L operatore avrebbe quindi a disposizione una rete multi-standard riconfigurabile, gestita in maniera efficiente ed in grado di adattarsi dinamicamente alle variazioni di traffico di tutte le soluzioni radio presenti. Un possibile approccio al problema è Base Station i Base Station A Reconfigurable HW Reconfiguration command RRM Radio Resource Management RADIO CONTROLLER RRM Core Network FIGURA 5 Architettura di riferimento con stazioni radio base riconfigurabili. quello descritto di seguito [11] e rappresentato in figura 5, in cui sono riportati i nodi di una generica rete di accesso di un sistema cellulare (un Radio Controller ed una o più stazioni radio base), collegati alla core-network. A titolo esemplificativo si prevede che i sistemi radiomobili cellulari da gestire siano il GSM e l UMTS. Il Radio Controller è in grado di gestire le risorse radio dei diversi sistemi che vengono utilizzati nella rete radiomobile (es. GSM e UMTS) e le stazioni radio base (es. BTS nel caso GSM e NodeB nel caso UMTS) sono di tipo riconfigurabile e sono, quindi, in grado di gestire più standard. L entità di gestione delle risorse radio RRM presente nel Radio Controller ha il compito di monitorare lo stato delle richieste provenienti dai diversi sistemi e, periodicamente, riconfigura dinamicamente le stazioni radio base in modo che le risorse elaborative siano condivise tra i vari standard in coerenza con il volume di traffico relativo. La riconfigurazione delle stazioni radio base permette, quindi, di ottimizzare la gestione delle risorse disponibili nelle diverse celle in base al carico presente. Ad esempio (figura 6), considerando i due sistemi GSM e UMTS, in una cella con molti terminali che richiedono servizi fornibili esclusivamente dall'umts (ad esempio, videochiamata o trasferimento file ad alte velocità) e pochi terminali che richiedono servizi fornibili con il GSM (come ad esempio la voce), il Radio Controller si occuperà di riconfigurare la stazioni radio base in modo che la maggior parte della capacità elaborativa sia riservata all UMTS; oppure, in una cella con pochi terminali UMTS e Base Station A Reconfigurable HW GSM UMTS Capacità elaborativa prima della riconfigurazione GSM UMTS Global System for Mobile Communications Universal Mobile Telecommunication System GSM UMTS Capacità elaborativa dopo la riconfigurazione FIGURA 6 Esempio di riconfigurazione della capacità elaborativa all interno di una stazione radio base riconfigurabile. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre

8 molti terminali GSM il Radio Controller si occuperà di riconfigurare la stazioni radio base in modo che la maggior parte della capacità elaborativa sia riservata al GSM. Complessivamente, dal punto di vista architetturale sono previsti i seguenti elementi fondamentali: le stazioni radio base sono realizzate con hardware riconfigurabile; i nodi Radio Controller sono in grado di gestire più standard; l entità RRM presente nel nodo Radio Controller ha una funzionalità opportuna di monitoraggio dello stato di attività nelle diverse celle di competenza delle stazioni radio base: in caso di architettura flat l entità RRM risiede nella stazione radio base; sulla base dei risultati del monitoraggio dello stato di attività nelle diverse celle di competenza delle stazioni radio base, l entità RRM del nodo Radio Controller, se necessario, riconfigura l hardware delle stazioni radio base. In generale, la riconfigurazione agisce su due gradi di libertà: la capacità elaborativa assegnata a ciascun sistema e le relative risorse radio. La riconfigurazione prevede di spostare parte della capacità elaborativa assegnata ad un sistema verso un altro sistema e di effettuare nel contempo il passaggio di risorse radio tra celle dello stesso sistema. In particolare, il passaggio di capacità elaborativa tra due sistemi avviene all'interno della stessa stazione radio base mentre il passaggio di risorse radio avviene tra due celle dello stesso sistema. Nei casi in cui vige un allocazione statica dello spettro per ciascun RAT, un simile approccio prevede di non passare risorse radio (frequenze) tra un sistema ed un altro ma solo all'interno dello stesso sistema. Ulteriori sviluppi possono prendere in considerazione, ad esempio, il refarming della banda o anche schemi di allocazione dinamica dello spettro (ulteriori dettagli sono riportati nel seguito) in modo che sia possibile passare risorse radio (frequenze) da un sistema ad un altro. Il monitoraggio viene eseguito periodicamente e, durante tale periodo, per ciascuna cella dei sistemi GSM ed UMTS, i Radio Controller raccolgono le informazioni relative al numero di richieste effettuate e se queste vengono o meno soddisfatte. Al termine di tale periodo viene eseguita l analisi dello stato di attività e si valuta l eventuale aggiornamento della configurazione: per ogni cella, in base al livello di attività GSM e UMTS avvenute nel precedente periodo, si stabilisce se sia necessario effettuare una riconfigurazione delle risorse della stazione radio base. In particolare, verrà aumentata la quantità di risorse elaborative e radio assegnate ad una cella nel caso in cui lo stato di attività di tale cella rilevi una congestione mentre verranno diminuite le risorse elaborative e radio nel caso in cui la cella sia sovradimensionata per l'attuale situazione di traffico. L'operazione di riconfigurazione può prevedere anche una verifica preventiva degli effetti dell'operazione in modo da evitare di portare la rete in uno stato instabile. 4.2 Dynamic Spectrum Management (DSM) Ad oggi la gestione dello spettro è basata sul paradigma dell assegnazione fissa e di lungo termine. In particolare, un blocco di spettro radio è allocato ad un particolare standard radio (ad esempio GSM o IMT-2000) ed è ulteriormente suddiviso ed assegnato ai diversi Operatori che adottano tale standard. Questi blocchi di spettro sono di dimensione fissa e sono di solito separati da una banda di guardia di dimensione prefissata. Tali blocchi, inoltre, sono allocati ad uso esclusivo del possessore della relativa licenza per diversi anni. Questo metodo tradizionale di gestione dello spettro ha numerosi e ben noti vantaggi: possibilità di controllare l interferenza tra diversi Operatori/sistemi grazie all uso di adeguate bande di guardia note e prefissate che comportano un basso livello di coordinamento necessario tra diversi Operatori/sistemi; semplicità realizzativa degli apparati, essendo nota la banda operativa; bassa complessità anche a livello di controllo regolatorio. Ci sono comunque alcune considerazioni da fare per questo tipo di gestione dello spettro: alcuni studi e misure effettuate in USA mostrano come l effettivo utilizzo dello spettro sia basso in alcune frazioni giornaliere ed in alcune zone [16]; sistemi o servizi diversi hanno picchi di traffico in periodi diversi di tempo (si pensi ad esempio a servizi televisivi rispetto a servizi radiomobili); la domanda di servizi diversi comporta anche una variazione spaziale dell uso dello spettro (si pensi ad aree business in cui i servizi vocali e dati sono predominanti mentre servizi televisivi e entertainment sono predominanti in aree residenziali). Sulla base delle considerazioni precedenti, il concetto emergente, in ambito di ricerca e regolatorio, di gestione dinamica dello spettro consiste nel permettere la condivisione di porzioni di spettro tra un set ben definito di sistemi radio al fine di garantire a ciascun sistema la porzione ottimale di spettro necessario in un particolare intervallo di tempo e/o in un particolare luogo per soddisfarne la domanda di traffico corrente. In particolare, detto utilizzatore primario il detentore della licenza di utilizzo dello spettro considerato, si definisce utilizzatore secondario qualsiasi entità che possa temporaneamente sfruttare le frequenze non in uso dall utilizzatore primario. In dipendenza dalle modalità di applicazione delle tecniche di gestione dinamica dello spettro il business di un Operatore radio mobile potrebbe essere modificato. La gestione dinamica dello spettro potrebbe dunque portare a scenari disruptive che modificherebbero l attuale uso licenziato dello spettro, rendendo anche possibile la riallocazione dello spettro ad altri Operatori in aree/momenti in cui lo spettro fosse libero, oppure nel caso si potesse affittare da altri Enti (es. Esercito, protezione civile, broadcaster) in momenti/aree di congestione ed elevato traffico. 10 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008

9 Lo standard IEEE Wireless MIC WRAN Base Station Lo standard IEEE , attualmente in corso di finalizzazione, costituisce il primo caso di interfaccia radio concepita fin dall inizio per operare in accordo a principi propri del Cognitive Radio (CR) [12]. I lavori di specifica sono stati avviati nel novembre 2004 a valle dell autorizzazione da parte della Federal Communications Commission americana per l utilizzo senza licenza della banda assegnata ai broadcaster televisivi ed ai radio-microfoni da parte di dispositivi radiotrasmissivi di altra natura. Questo a patto che tali dispositivi non arrecassero disturbi ai broadcaster televisivi detentori della licenza per tali frequenze. L obiettivo era quello di definire uno standard idoneo per garantire l accesso wireless broadband fisso agli utenti residenti in zone rurali. La tecnologia è stata pensata per permettere raggi di copertura fino a 100 km (da qui anche la denominazione WRAN Wireless Regional area Networks). Nella figura A è mostrato un esempio di scenario secondo lo standard IEEE CPE MIC WRAN Wireless MIC TV Transmitter WRAN Base Station Customer Premise Equipment MICrophone Wireless Regional Area Networks FIGURA A Esempio di scenario Gli elementi trainanti per questo standard sono state sia le misure, che hanno evidenziato uno stato di sottoutilizzo delle bande assegnate alle TV, sia il previsto switchover (Febbraio 2009) da TV analogica a TV digitale negli USA che renderà disponibili ulteriori porzioni di banda. Queste porzioni di spettro che, in una zona geografica, non sono utilizzate dai licenziatari primari sono state Typical - 33 km Max. 100 km : CPE denominate White Spaces. Sfruttando le potenzialità messe a disposizione dalle tecnologie CR, si è quindi definito uno standard concepito per operare in accordo ai principi del Agile Spectrum Access, andando cioè a reperire dinamicamente di volta in volta e in maniera opportunistica, porzioni di banda inutilizzate da sfruttare per erogare il servizio. Ad oggi, in ambito regolatorio, i più attivi su questo fronte sono la FCC americana e la OFCOM britannica, ma anche la Commissione Europea, sotto la spinta delle liberalizzazioni economiche, sta valutando le opportunità e le problematiche inerenti all adozione futura del DSM. In ambito dei progetti di ricerca internazionali, la tematica è molto sviluppata sia in USA sia in Asia che in Europa, in correlazione con la tematica dei Cognitive Radio Systems, ritenuti gli abilitatori tecnologici del DSM. In Europa, dopo alcuni progetti di ricerca del V Programma Quadro, quali DRIVE ed OVERDRIVE, che si sono occupati di tecniche DSM tra sistemi radiomobili e televisivi digitali (DVB-T e DVB-H), queste tematiche sono attualmente trattate nel progetto E 3, di cui Telecom Italia è membro, ed in alcuni progetti strep quali ad esempio ORACLE. In ambito di standard, i gruppi ITU-R WP1B e WP5A hanno questions attive su CRS e DSA, mentre in ambito IEEE il gruppo sta studiando problematiche di sua coesistenza con i sistemi televisivi. Le soluzioni tecnologiche in grado di abilitare la gestione dinamica dello spettro sono ad oggi divisibili in due categorie ben distinte: una basata su algoritmi di sensing lato terminale onde abilitare l accesso opportunistico allo spettro (Dynamic Spectrum Access), l altra basata su modalità di coordinamento lato rete, quali ad esempio l impiego del Cognitive Pilot Channel (). Tra questi due estremi sono allo studio soluzioni intermedie che prevedono l utilizzo congiunto e coordinato delle due tecniche Dynamic Spectrum Access (DSA) Come accennato in precedenza, campagne di misura effettuate in diverse parti del mondo hanno evidenziato alcune considerazioni sull attuale gestione dello spettro che possono essere riassunte nei tre punti seguenti [13]: nonostante una larga parte dello spettro sia allocata e ci sia la necessità di avere spettro aggiuntivo per nuovi servizi, una buona parte di esso rimane sotto utilizzata. Lo spettro allocato alle reti di pubblica sicurezza, reti governative come quelle militari, e diversi canali TV broadcast UHF, ne sono degli esempi; diverse bande licenziate, quali quelle delle reti cellulari, possono sperimentare elevati utilizzi, ma tale utilizzo può variare fortemente nel tempo e nello spazio; bande non licenziate quali ISM (Industrial Scientifical and Medical) stanno sperimentando un elevata quanto incontrollata crescita dal punto di vista di utilizzazione dello spettro. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre

10 Sulla base di alcune di queste considerazioni, sotto forti spinte economico-regolatorie, sono in fase di ricerca soluzioni per permettere di utilizzare lo spettro in modo più efficiente, sia nel tempo che nello spazio, consentendo un accesso dinamico allo spettro. Il nuovo paradigma del Dynamic Spectrum Access (DSA), abilitato dai rapidi sviluppi degli apparati programmabili e riconfigurabli, hardware cognitive radio e sensing dello spettro real-time, punta a raggiungere questi obiettivi. In questo contesto, sono allo studio metodi per definire ed effettuare misurazioni dello spettro in grado di valutare nel modo più preciso possibile l utilizzo delle risorse radio. Ad esempio, un terminale cognitivo che voglia accedere in modo opportunistico (e secondario) allo spettro, dovrà assicurarsi, tramite opportune misurazioni dello spettro, di poter accedere alle risorse radio senza causare fenomeni interferenziali che possano influire sul corretto funzionamento del sistema primario. È quindi evidente come in questo ambito sia fondamentale poter disporre di metodi capaci di misurare l occupazione spettrale senza ambiguità, garantendo la massima precisione, affidabilità ed efficienza. Come primo passo verso gli approcci descritti sopra, le attività di ricerca si stanno focalizzando sullo studio di diverse metodologie di misurazione dello spettro che cerchino di garantire i requisiti richiesti. In letteratura si possono trovare diversi esempi di tali metodologie, come quelli proposti dallo Stevens Institute of Technology per i sistemi radiomobili GSM e CDMA IS-95 [13]. Basandosi su misurazioni dei livelli di potenza di segnale ottenute attraverso l impiego di un analizzatore di spettro, con opportuni algoritmi matematici vengono stimate le occupazioni delle risorse radio in termini di time-slots per il sistema GSM e numero di codici per il sistema IS-95. Analisi simulative, basate sul confronto dei risultati ottenuti attraverso l applicazione degli algoritmi proposti con le effettive risorse radio occupate, hanno dimostrato come le metodologie attualmente proposte siano molto sensibili alla parametrizzazione delle grandezze utilizzate per la stima. In particolare, la posizione del sensore, il numero di frequenze considerate per le misure ed anche parametri esterni e non controllabili quali il traffico di rete, influiscono in modo non trascurabile portando a sovrastimare in alcune occasioni, e a sottostimare in altre, la vera occupazione spettrale e delle risorse radio. Se ne deduce che attualmente il lavoro di ricerca in questo ambito richiede ancora un notevole impegno al fine di elaborare metodologie in grado di garantire un corretto funzionamento delle tecniche di DSA [14] Cognitive Pilot Channel () Per quanto riguarda le modalità assistite dalla rete, una soluzione oggetto di studio nell ambito del progetto europeo di ricerca E 3 è basata sulla disponibilità di un canale pilota, detto Cognitive Pilot Channel () [15]. Obiettivo principale del è supportare il terminale, in fase di camping, nell individuazione delle RAT, disponibili in una certa area, in associazione con gli Operatori e le frequenze di utilizzo. All accensione, infatti, il terminale, in un futuro contesto multi-rat con abilitazione della gestione dinamica dello spettro, potrebbe non essere conscio dei sistemi disponibili nell area in cui si trova e/o delle frequenze su cui tali sistemi possono trovarsi ad operare. In tale contesto, il terminale sarebbe in grado di ottenere le informazioni tramite il canale, senza dover analizzare, in teoria, tutto lo spettro, evitando latenze nel camping e consumi eccessivi delle batterie. Questa modalità permetterebbe inoltre di mantenere il controllo di un eventuale uso dinamico dello spettro da parte della rete, controllando opportunamente le operazioni di camping e di accesso dei terminali. Altre funzionalità supportate dal ed allo studio nell'ambito di ricerca sono: politiche di RRM: in un contesto multi-rat, il potrebbe essere di aiuto per l opportuna selezione dell accesso radio, secondo politiche di gestione delle risorse radio scelte dalla rete e comunicate al terminale tramite il stesso. Un altro possibile esempio di utilizzo consiste nel supporto a procedure di hand-over tra sistemi diversi (vertical handover), in cui le informazioni utili per gestire il cambio di cella/sistema sarebbero convogliate al terminale tramite il ; supporto per la riconfigurazione e/o software download: il comando di riconfigurazione dei terminali potrebbe essere inviato attraverso il, con la possibilità di eseguire il download del software stesso, nel caso il terminale non avesse a disposizione il software del sistema da riconfigurare. La possibilità di eseguire anche il software download via dipende fondamentalmente dalla banda a disposizione del. Affinché il possa operare correttamente è necessario creare un base, da aggiornare dinamicamente e coerentemente, con le variazioni spazio-temporali dello spettro, che contenga le informazioni necessarie (come esempio: sistemi in uso, relative frequenze, operatori) e le relative policies. Da un punto di vista implementativo, le soluzioni allo studio sono fondamentalmente due: Outband ed Inband. Nel caso Inband (figura 7), il verrebbe ad essere un canale logico all'interno dei sistemi radio esistenti, modificati opportunamente come necessario, operante nelle bande di frequenza dei sistemi considerati. A titolo esemplificativo, in futuro si potrebbero dedicare uno o più canali GSM per la trasmissione del, utilizzando ad esempio la gamma dei 900 MHz e l interfaccia radio GSM, trasportando a livelli protocollari più alti (ad esempio il terzo) le informazioni del. Il vantaggio di un tale approccio risiede nel non dovere identificare una banda comune a livello internazionale e nella possibilità di riusare quanto ad oggi è già disponibile. Lo svantaggio principale consiste nelle possibili limitazioni di banda del, o nella minor possibilità di coordinamento in un contesto multi-rat/multi-operatore. 12 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008

11 RATx RATx Logical mapping over RATx RATx RATx Time RAT1 RAT2 MHz info info Mesh RATx Infrastructure Mesh Infrastructure Terminal Terminal RAT Cognitive Pilot Channel Radio Access Technology RAT Cognitive Pilot Channel Radio Access Technology FIGURA 7 Soluzione implementativa In-Band del. FIGURA 8 Soluzione implementativa Out-Band del. La soluzione Outband invece (figura 8) si riferisce al caso in cui al sia assegnata una gamma di frequenze a sé a livello internazionale o regionale/nazionale, con i relativi problemi regolatori da risolvere (ad esempio identificare la stessa gamma di frequenza in tutte le regioni ITU). Indipendentemente dalla banda necessaria a trasportare le relative informazioni, il potrebbe avere un interfaccia radio dedicata o basarsi su quelle esistenti (ad esempio GSM o UMTS o LTE), con opportune modifiche per inserire i protocolli e le procedure tipiche del. 5. Conclusioni Come descritto in precedenza, negli ultimi anni nel mondo delle telecomunicazioni sono emersi i concetti di SDR (Software Defined Radio) e di CR (Cognitive Radio), prima nei contesti di ricerca e recentemente anche in quelli di standardizzazione, come una potenziale soluzione pragmatica: un implementazione software degli apparati in grado di adattarsi dinamicamente all ambiente in cui vengono di volta in volta a trovarsi. Di recente, negli ambienti di ricerca e di standardizzazione si sta assistendo ad una generalizzazione di tali concetti, in modo da applicarli a qualsiasi dispositivo della rete. In particolare, si parla sempre più di Cognitive Radio Systems (CRS), vale a dire di sistemi radio nella loro interezza (terminale e rete) basati su capacità cognitive. Un esempio di applicazione dei CRS sono le Cognitive Networks, reti in grado di adattare il proprio comportamento in base alla conoscenza dell'ambiente in cui si trovano ad operare. Le possibili soluzioni a medio e lungo termine, legate ai sistemi SDR e CR, coinvolgono i nodi di rete e l'allocazione dello spettro. In particolare, la disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili può dare agli Operatori strumenti aggiuntivi di gestione delle risorse radio e delle risorse elaborative in modo da raggiungere una maggiore efficienza nel loro utilizzo. D'altro canto, uno schema di gestione dello spettro di tipo dinamico potrebbe portare a scenari particolarmente disruptive che modificherebbero l attuale regolamentazione e che sono attualmente oggetto di studio a vari livelli. In generale le tecnologie SDR e CR possono avere impatti per tutte le figure presenti nel mercato delle telecomunicazioni: manifatturiere, Operatori, utenti. Per le manifatturiere si presenta la possibilità di concentrare i propri sforzi di ricerca, progettazione e produzione su un set ridotto di piattaforme hardware valide per ogni tipo di sistema e vendibili su ogni mercato, non solo nazionale o regionale. Naturale sarà l abbassamento dei costi di produzione in virtù di una notevole economia di scala. Per gli Operatori la possibilità di implementare più standard sulla stessa stazione radio base permette di ottimizzare gli investimenti ed una pianificazione efficiente della rete, considerando la possibilità di adattamento al traffico descritta in precedenza. Inoltre, si allunga il tempo di vita dell hardware (sia della stazione radio base che del terminale d utente) allontanando nel tempo il rischio di obsolescenza; la riprogrammabilità del sistema consente in linea di principio all hardware di sopravvivere per un tempo maggiore e di poter essere riutilizzato nel momento in cui i sistemi di nuova generazione faranno il loro ingresso in campo, variandone il software, riducendone quindi i costi. Oltre ai già citati possibili impatti sugli scenari di regolamentazione, è comunque presumibile che debbano essere adattate al nuovo contesto gli attuali processi di pianificazione e gestione. Agli utenti sarà garantita una maggiore possibilità d impiego di sistemi diversi, ottimizzati per la fruizione dei servizi richiesti nello specifico contesto di utilizzo, con la potenzialità di una mobilità globale. Non è inoltre da trascurare la possibilità per l utente di usare terminali riconfigurabili sulla base delle applicazioni e delle modalità di sua preferenza. Gli autori ringraziano i colleghi Sergio Barberis, Antonio Bernini, Paola Bertotto, Giorgio Calochira, Maurizio Fodrini, Michele Ludovico, Nicola Pio Magnani, Fabio Santini e Franca Venir per il loro prezioso contributo all'attività ed il supporto nella fase di revisione dell articolo. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre

12 BIBLIOGRAFIA [1] E. Buracchini, The Software Defined Radio Concept, IEEE Comms. Magazine, Sept [2] J. Mitola, The Software Defined Radio Architecture, IEEE Comms. Magazine, May [3] J. Mitola, Software Defined Radio Technology challenges and opportunities, Software Defined Radio Workshop, Brussels, May [4] Peter E. Chadwick, Possibilities and Limitations in Software Defined Radio Design, ETSI SDR Workshop, Sophia Antipolis, February 2007 [5] [6] [7] [8] J. Mitola et al., Cognitive radio: Making Software Defined Software Defined Radio more personal, IEEE Personal Communications., vol. 6, no. 4, pp , [9] S. Haykin, Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 23, no. 2, pp , [10] FCC. Et docket no Notice of Proposed Rule Making and Order, December [11] E. Buracchini, P. Goria, A. Trogolo A radio reconfiguration algorithm for dynamic spectrum management according to traffic variations, SDR Forum TC 07 [12] C. 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Federal Communication Commission Field Programmable Gate Array Intermediate Frequency Low Noise Amplifier Long Term Evolution OFfice of COMmunications Programmable Down Converter Radio Access Technology Radio Network Controller Radio Resource Management Reconfigurable Radio System Software Defined Radio Wideband CDMA Working Party Paolo Goria, ingegnere delle telecomunicazioni, entra in Azienda nel 1999, occupandosi dello studio di tecniche e strategie di Radio Resource Management per i sistemi UTRA-FDD e GSM/(E)GPRS. Ha contribuito alla progettazione e sviluppo di un strumento sw per la simulazione di reti cellulari/wireless eterogenee focalizzato anche sugli aspetti protocollari. In passato è stato coinvolto nelle attività dei progetti IST ARROWS ed EVEREST. Dal 2003 è coinvolto in TILab in un progetto dedicato alle problematiche dei Sistemi B3G, SDR/CR e DSM, che ha incluso le attività dei progetti europei E 2 R I, E 2 R II e dell attuale E 3. In ambito di standardizzazione, è delegato Telecom Italia al gruppo ITU-R WP5A. Enrico Buracchini, ingegnere elettronico, è in Azienda dal Ha fatto parte della delegazione italiana per il gruppo ITU-R TG8/1, dedicato alla standardizzazione dei sistemi IMT 2000: ad oggi è delegato del 3GPP RAN 1. Ha gestito, nel periodo , alcuni progetti di consulenza sulla pianificazione UMTS per le consociate estere in Austria (Mobilkom Austria) e Spagna (Amena). È stato coinvolto in molti progetti europei (COST, ACTS, IST) dedicati all UMTS ed ai sistemi radiomobili di futura generazione. Ha pubblicato molti articoli su UMTS e sistemi di futura generazione, sulle smart antennas, su Software Defined Radio e Cognitive Radio. Dal 2003 gestisce in TILab i progetti relativi a Software Defined Radio e Cognitive Radio, includendo anche le attività TILab in E 2 R I, E 2 R II ed E 3. Alessandro Trogolo, ingegnere delle telecomunicazioni, entra in Azienda nel 2001, studiando le tecniche di accesso radio per i sistemi GSM, (E)GPRS ed UMTS. Ha quindi contribuito alla progettazione ed allo sviluppo di un simulatore di reti cellulari GSM e (E)GPRS che affronta anche gli aspetti protocollari. Dal 2003 è coinvolto nelle attività di TILab dedicate allo studio dei Sistemi B3G, SDR/CR e DSM. Ha lavorato nell ambito dei progetti europei E 2 R I ed E 2 R II ed attualmente è coinvolto nelle attività di TILab all interno di E 3. In ambito di standardizzazione, è delegato Telecom Italia al gruppo ETSI TC RRS (Reconfigurable Radio Systems). Dall inizio del 2008 ricopre il ruolo di vice-chairman del WG6 Cognitive Wireless Networks and Systems all interno del WWRF (Wireless World Research Forum). 14 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008