AGCOM Progetto ISBUL WP1.2 Accesso Radio

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

21 Canada entro il 2010, con evoluzione a LTE in data non precisata. - 3 Irlanda sta implementando HSPA, evolverà ad HSPA+ ed ha in programma il lancio di LTE nel Tele2 in Svezia e Telenor in Norvegia stanno cooperando (in una joint venture denominata Net4 Mobility) alla realizzazione di una rete LTE che copra le due nazioni nelle bande a 900 MHz e a 2600 MHz. La tabella seguente riassume i piani di lancio di LTE dei principali operatori mondiali. Paese Operatore Inizio previsto servizio LTE USA Verizon 2010 USA MetroPCS 2010 USA CenturyTel 2010 Svezia Telia Sonera 2010 Norvegia TeliaSonera 2010 Giappone NTT DoCoMo 2010 Giappone KDDI 2010 Canada Rogers Wireless 2010 Canada Telus 2010 Canada Bell Canada 2010 USA Aircell 2011 USA AT&T Mobility 2011 Irlanda Hutchinson Germania T-Mobile 2011 France Orange 2011 Cina China Mobile 2011 Cina China Telecom Nuova Zelanda Telecom NZ Fonte: GSA Global mobile Suppliers Association Analisi delle piattaforme LTE e testbed funzionali degli operatori Apparati LTE Gli apparati che supporteranno LTE saranno in primo luogo telefoni cellulari, ma l ampia gamma di servizi che LTE è in grado di offrire determinerà il suo impiego anche in notebook, netbook, console per videogiochi e videocamere, solo per citare gli apparati di maggior diffusione. Alla data odierna, nessun vendor è in grado di fornire soluzioni complete per l accesso radio LTE, nè dal lato operatore nè dal lato utente. Tuttavia, diversi annunci, 21

22 talvolta corredati da risultati di test funzionali, si sono susseguiti nell ultimo anno. Ne citiamo alcuni: - Sony Ericsson ha annunciato nel 2008 una piattaforma abilitata ad LTE, chiamatata M700, indicando nel 2009 la data prevista per la release commerciale. I prodotti basati su M700 sono attesi per il 2010 [11]. Inoltre, esattamente un anno fa, Ericsson ha dato dimostrazione al Mobile World Congress di Barcellona della prima chiamata telefonica end-to-end basata su tecnologia che si può ricondurre ad LTE [12]. - Qualcomm ha annunciato per il 2009 il rilascio di una famiglia di prodotti (MDM9xxx-series) in grado di supportare UMTS, HSPA, EV-DO ed LTE [13]. Questa piattaforma è stata oggetto di una dimostrazione nel febbraio 2009, in cui Qualcomm ha utilizzato interfacce di rete con supporto MIMO 2x2 in downlink e SIMO 1x2 in uplink, in modalità FDD a 10 MHz. Le velocità rilevate a livello fisico in downlink e uplink si sono assestate, rispettivamente, a 23 Mb/s e 11.5 Mb/s [14]. - LG ha annunciato nel dicembre 2008 di aver sviluppato indipendentemente il primo chipset per modem LTE, da incorporare in terminali mobili di nuova generazione. Il rilascio di apparati commerciali è stato genericamente individuato nell anno 2010 [15]. - Infineon ha rilasciato il chip SMARTi che realizza le funzioni di transceiver LTE su bande di estensione 5, 10, e 20 MHz fino a portanti di 3 GHz [16] Sul versante degli operatori, si registrano un iniziativa rivolta a definire le specifiche per i futuri apparati LTE da integrare nella rete dell operatore: Verizon Wireless ha infatti pubblicato [17] una raccolta di specifiche tecniche di cui i terminali dovranno essere in possesso per essere utilizzati sulla rete LTE di Verizon operante a 700 MHz, di cui si prevede il lancio commerciale nel Testbed Funzionali Infine, è meritevole di attenzione l iniziativa denominata LSTI: LTE SAE Trial Initiative, [18] formata da un gruppo di oltre 30 vendor e operatori (tra i quali figurano i principali attori del mercato radiomobile mondiale: Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia, Nokia Siemens Networks, Nortel, Orange, T-Mobile, Vodafone, China Mobile, Huawei, Samsung). Nel febbraio 2009, LSTI ha rilasciato i risultati di trial di apparati LTE/SAE, dopo aver 22

23 completato una fase di test il cui obiettivo era di dimostrare i benefici di LTE/SAE in termini di prestazioni e funzionalità in ambiente reale, oltre che in laboratorio. I risultati sono relativi a misure di prestazioni quali la qualità di comunicazioni VoIP su LTE, le velocità di picco in download che gli utenti si possono attendere, in diverse condizioni realistiche di qualità del canale, affollamento della cella e mobilità. I risultati salienti posso essere riassunti nei seguenti punti: - Indipendentemente dalle condizioni del canale radiomobile, le prestazioni misurate dall utente finale risultano sempre superiori di due-tre volte quelle ottenute da HSPA in condizioni analoghe - Nelle condizioni più favorevoli (unico utente nella cella, terminale non in movimento) e con apparati in grado di rispondere a quasi tutte le specifiche LTE (banda disponibile di 20 MHz, MIMO 4x4 con modulazione 64 QAM e tecnica di accesso FDD in downlink, SIMO 1x2 con modulazione 16 QAM e tecnica di accesso TDD in uplink), sono stati osservati bit rate di picco al livello fisico pari a: (i) in DL, 320 Mb/s in laboratorio e 255 Mb/s sul campo; (ii) in UL, 60 Mb/s in laboratorio e 50 Mb/s sul campo. In tutti i casi, riportati nella Figura 8, i risultati si sono rivelati in linea, e nella maggior parte dei casi assai superiori, rispetto alle specifiche tecniche richieste da 3GPP (almeno 100 Mb/s di picco in downlink e almeno 50 Mb/s di picco in uplink). Rispetto ai risultati osservati per il caso uplink occorre però sottolineare che la mancata disponibilità di terminali in grado di supportare la modulazione 64 QAM ha determinato prestazioni con ampio margine di miglioramento. Vale la pena ricordare che risultati analoghi, pur se limitati a set di laboratorio, erano stati riportati da Ericsson più di un anno fa [19]. - Le latenze osservate sono ampiamente accettabili per il tipo di reattività richiesta dalle applicazioni supportate da LTE (in particolare VoIP e video on demand). In particolare, sono state provate le seguenti latenze: o Piano di controllo (instaurazione end-to-end di una chiamata voce, tempo necessario per commutare il terminale dallo stato idle allo stato active): da 70 a 100 ms, contro un target 3GPP fissato a 100 ms. o Piano utente (invio di pacchetti di ping da terminale mobile ad un server su rete Internet): tra 10 e 15 ms su link pre-schedulato, da 15 a 25 ms su link creato on-demand (si veda Figura 9). Si osservi che il link pre-schedulato è il 23

24 caso tipico in cui opera VoIP, podendo disporre di una minima quantità di risorse predisposte in anticipo dall enodeb; il link on-demand si rifà invece al caso del web-browsing, in cui le richieste di banda giungono all enodeb in modo asincrono e non prevedibile. o Interfaccia Radio (invio di pacchetti di ping da terminale mobile a enodeb): tra 7 e 13 ms, contro un target 3GPP fissato a 10 ms, come illustrato in Figura 9. o Handover tra celle LTE sono stati compiuti a velocità di 100 km/h ed oltre. Si osservi che LTE non supporta il soft handover tipico delle reti WCDMA, ed implementa un hard handover per il quale sono stati misurati tempi di interruzione del servizio inferiori ai 50 ms, contro il target 3GPP di 300 ms. LSTI non è stato tuttavia in grado di riportare un set esteso di risultati di test di handover tra enodeb di costruttori diversi. Figura 8: Bit rate di picco misurati in campo e in laboratorio (fonte: LSTI Forum) 24

25 Figura 9: Latenza misurata sul piano utente e nell'interfaccia radio (fonte: LSTI Forum) 1.4 BIBLIOGRAFIA [1] Deployment of UMTS in 900 MHz band UMTS FORUM White Paper [2] [3] LTE+Network+Subscribers:+From+Zero+to+32+Million+in+Three+Years [4] [5] networkworld.com [6] Technical Specifications and Technical Reports for a UTRAN-based 3GPP system, 3GPP TR [7] H. G. Myung, J. Lim, and D. J. Goodman, Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission, IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 1, no. 3, Sep. 2006, pp [8] Requirements for Further Advancements for E-UTRA, 3GPP TR [9] [10] [11] [12] [13] Qualcomm_to_Ship.html [14] Demo.pdf [15] 25

26 modem-chip.jsp [16] db3a a c97e7a0734 [17] [18] [19] P. Beming, et al., LTE-SAE architecture and performance, Ericsson Review, no.3,

27 2 SEZIONE 2: NUOVE TENDENZE NEL RADIO SPECTRUM MANAGEMENT Questa sezione del documento tratta degli aspetti tecnici legati al paradigma chiamato Cognitive Radio (CR). L idea base del Cognitive Radio è l utilizzo dinamico delle frequenze, che possono essere impiegate da dispositivi radio basati su diverse tecnologie e ogni qualvolta ne esistano le condizioni (uso opportunistico delle frequenze). In particolare, l uso di terminali di comunicazione che implementino il paradigma CR permettere all utente: (i) di determinare quali porzioni dello spettro sono disponibili e, nel caso di bande date in concessione, di rilevare la presenza di utenti licenziati (spectrum sensing), (ii) di selezionare il canale con la qualità migliore, tra quelli disponibili (spectrum decision), (iii) di coordinarsi con altri utenti dotati di terminali CR nell accesso al canale selezionato (spectrum sharing), (iv) di cambiare canale di frequenza quando viene rilevata la presenza di utenti licenziati (spectrum mobility). Il documento descrive i componenti fondamentali dell architettura di rete, tipicamente suddivisi in due gruppi di utenti: quelli che compongono la rete primaria (primary network) e quelli che compongono la rete Cognitive Radio (CR network), detta anche secondaria. Inoltre, sono illustrati i protocolli ed algoritmi che permettono al terminale di acquisire informazioni sull uso e la qualità dello spettro dall ambiente circostante, e lo rendono riconfigurabile, ossia capace di ricevere e trasmettere su una vasta gamma di frequenze e di usare tecnologie di trasmissione e di accesso diverse. Il documento riporta infine l attività in corso in seno al Working Group IEEE , che da diversi anni sta lavorando alla produzione di un documento di riferimento per l uso di tecniche Cognitive Radio nelle bande radio della televisione analogica. Anche se inquadrato in un contesto nordamericano in cui già oggi vaste aree del territorio non sono coperte da alcun segnale televisivo e sono quindi le naturali destinatarie di sistemi , IEEE punta a definire tecniche Cognitive Radio per la condivisione di spettro televisivo inutilizzato per 27

28 fornire accesso a banda larga a zone rurali, a bassa densità abitativa o difficilmente raggiungibili. 2.1 IL PARADIGMA COGNITIVE RADIO Principi e generalità Le reti di comunicazione via wireless operano sulla base di un allocazione fissa dello spettro delle frequenze, determinata, in ogni nazione, dagli enti preposti. Tipicamente le frequenze sono cedute in concessione ad aziende o enti detentori di una licenza, e tali licenze ne consentono l uso per lunghi periodi e su vaste regioni geografiche. Recentemente, tuttavia, sono emersi due fatti di grande rilievo: spesso le frequenze allocate per servizi specifici sono utilizzate solo in minima parte, e frequenze concesse in uso ad aziende sono effettivamente impiegate solo in certe aree territoriali mentre risultano non utilizzate in zone extra-urbane e scarsamente abitate. A testimonianza di ciò, negli Stati Uniti d America la Commissione Federale per le Comunicazioni (Federal Communications Commission, FCC) ha osservato che l uso temporale e spaziale delle frequenze attualmente allocate varia tra un minimo del 15% fino a un massimo dell 85% ed ha sottolineato come in molte bande di frequenza il limitato accesso allo spettro dovuto alle presenti regolamentazioni sia un problema maggiore della scarsità di frequenze disponibili dovuto ai limiti fisici dello spettro. Tali osservazioni evidenziano come sia necessario rivedere la divisione tra le porzioni di spettro il cui uso è concesso tramite licenze e le porzioni libere, nonché le leggi che regolano l assegnazione e l utilizzo delle bande di frequenza. Una possibile soluzione che permetterebbe un uso più efficiente e flessibile delle bande di frequenza è rappresentata dal paradigma chiamato Cognitive Radio. L idea base del Cognitive Radio (CR) è un utilizzo dinamico delle frequenze, che possono essere impiegate da dispositivi wireless basati su diverse tecnologie e ogni qualvolta ne esistano le condizioni (uso opportunistico delle frequenze). In particolare, l uso di terminali di comunicazione che implementino il paradigma CR permetterebbe all utente: (i) di determinare quali porzioni dello spettro sono disponibili e, nel caso di bande date in concessione, di rilevare la presenza di utenti licenziati (spectrum sensing), (ii) di selezionare il canale con la qualità migliore, tra quelli disponibili (spectrum decision), 28

29 (iii) di coordinarsi con altri utenti dotati di terminali CR nell accesso al canale selezionato (spectrum sharing), (iv) di cambiare canale di frequenza quando viene rilevata la presenza di utenti licenziati (spectrum mobility). Al fine di implementare tali funzionalità, devono essere sviluppati nuovi protocolli ed algoritmi, in particolare al livello fisico, al livello di controllo di accesso (MAC) e di rete (Figura 10). Tali protocolli ed algoritmi devono rendere il terminale (i) capace di acquisire informazioni sull uso e la qualità dello spettro dall ambiente circostante ed operare sulla base di tali informazioni, e (ii) riconfigurabile, ossia capace di ricevere e trasmettere su una vasta gamma di frequenze e di usare tecnologie di trasmissione e di accesso diverse (ad esempio diversi tipi di modulazione, livelli di potenza trasmessa, tecnologie di comunicazione). Un elemento fondamentale di un terminale di utente cognitive radio è inoltre il ricetrasmettitore (transceiver) e, in particolare, la parte di front-end, solitamente realizzata in hardware, e il modulo software che opera l elaborazione del segnale in banda base. Queste componenti devono essere in grado di raccogliere ed elaborare segnali (anche molto deboli), simultaneamente da un ampia gamma di frequenze. La parte di front-end amplifica il segnale ricevuto ed effettua la conversione analogico/digitale. Nella parte di elaborazione del segnale in banda base, il segnale è modulato/demodulato. Ogni componente deve essere controllato tramite un bus così da poter essere riconfigurato sulla base delle caratteristiche dell ambiente circostante e delle condizioni di occupazione delle bande di frequenza. 29

30 Figura 10: Architettura Protocollare di un nodo Cognitive Radio Architettura delle reti di comunicazione Cognitive Radio Le reti di comunicazioni via wireless atte ad operare in modalità cognitive radio (Cognitive Radio Networks) devono presentare un architettura sufficientemente generale da rendere il sistema flessibile e adattabile a diversi condizioni e scenari applicativi. Come mostrato in Figura 11, i componenti fondamentali dell architettura di rete possono essere suddivisi in due gruppi: la rete primaria (primary network) e la rete CR (CR network), detta anche secondaria. La rete primaria. E una rete dove gli utenti, detti primari, hanno la licenza di operare in una certa banda di frequenza. Può essere dotata di infrastruttura e, in questo caso, le attività degli utenti primari sono controllate dalle cosidette stazioni base primarie. Esempi sono le reti cellulari di seconda e terza generazione. Le prestazioni degli utenti primari non dovrebbero essere alterate in alcun modo dalla presenza sulla stessa porzione di spettro di utenti privi di licenza. La rete secondaria. Tale rete non ha una licenza per operare in una certa banda di frequenza. Gli utenti CR devono essere in grado di operare sia nelle bande licenziate sia in quelle non licenziate. Quando operano nelle bande licenziate, devono poter rilevare la presenza di utenti primari e, in caso, potersi spostarsi immediatamente su bande di frequenza diverse. Nelle bande non licenziate, tutti gli utenti CR hanno pari diritti. 30

31 Pertanto, occorre definire protocolli ed algoritmi per un efficiente condivisione dello spettro non licenziato. Inoltre, la rete CR può operare in modalità ad hoc, ossia sfruttando comunicazioni dirette fra terminali di utente, o includere stazioni base CR, la cui funzione principale è l assegnazione di porzioni di spettro diverse alle varie reti CR. Per gli utenti CR sono quindi possibili le seguenti modalità di accesso. o Accesso tramite stazioni base CR: gli utenti accedono alle stazioni base CR usando frequenze licenziate o non licenziate. In ogni caso, poiché la comunicazione avviene entro la rete CR, la strategia per l utilizzo dello spettro può essere indipendente dall allocazione fatta nella rete primaria. Rimane ovviamente valido il vincolo di assenza di interferenza di utenti CR nei confronti di utenti primari. o Accesso alla rete CR ad hoc: gli utenti CR comunicano fra loro usando bande licenziate o non licenziate. Rimane valido il vincolo di assenza di interferenza nei confronti di utenti primari. o Accesso alla rete primaria: gli utenti CR possono accedere alla rete primaria usando le corrispondenti bande licenziate. I terminali di utente CR devono essere dotati di un livello di controllo di accesso (MAC) altamente riconfigurabile, al fine di poter accedere a diverse reti primarie basate su tecnologie diverse (ad esempio, FDMA/TDMA come in GSM/GPRS o CDMA come in UMTS). 31

32 Figura 11: Architettura di rete Cognitive Radio Obiettivi e funzionalità delle reti cognitive radio Come già osservato, le reti CR pongono numerose sfide tecnologiche dovute alla necessità sia di assicurare la coesistenza con reti primarie sia di fornire i livelli di servizio richiesti dalle diverse applicazioni di utente. Gli obiettivi principali possono dunque essere sintetizzati come segue: 1. assenza di interferenza: le reti CR non dovrebbero causare interferenza alle reti primarie, 2. garanzia di qualità del servizio: nella scelta della banda di frequenza dove operare, le reti CR devono tenere in conto della capacità disponibile e della qualità della trasmissione sul canale radio, in modo da soddisfare i vincoli esistenti sulla qualità di servizio fornita, 3. comunicazioni trasparenti all utente: tutte le operazioni svolte da un terminale CR devono essere trasparenti all utente; ciò include i cambi di canale di frequenza su cui il terminale opera, che possono rendersi necessari per la comparsa di utenti primari o per 32

33 la variazione delle condizioni di propagazione, di interferenza, o di carico di traffico sul canale attualmente utilizzato. Per il raggiungimento di tali obiettivo è necessario che un terminale CR svolga le seguenti funzioni Rilevazione di segnale (spectrum sensing). Il terminale CR deve essere in grado di individuare porzioni di spettro disponibili. In caso di bande licenziate, ciò vuol dire individuare canali di frequenza dove non siano presenti utenti primari e prontamente rilevare la comparsa di utenti primari. Nel caso di bande non licenziate, occorre invece individuare canali di frequenza con un livello di interferenza accettabile. Le principali tecniche per effettuare tali operazioni possono essere suddivise nelle seguenti categorie. Rilevazione di un trasmettitore primario. In questo caso, ponendosi in ascolto di una vasta porzione di spettro, il terminale CR deve poter rilevare qualsiasi segnale, anche molto debole, proveniente da un utente primario. Le tecniche esistenti consentono di rilevare sequenze di simboli noti trasmessi da utenti primari, o il livello di energia sul canale o di rilevare l intrinseca periodicità esistente nei segnali modulati. Tutte e tre questi approcci però presentano alcuni inconvenienti: il primo richiede conoscenza a priori dell informazione trasmessa dal segnale generato dell utente primario, la seconda si rivela spesso inaffidabile generando falsi postivi, la terza presenta un elevata complessità computazionale e richiede lungi tempi di osservazione del canale. Inoltre, indipendentemente dall approccio utilizzato, le misurazioni effettuate da un singolo utente CR possono essere necessariamente fallaci. Come mostrato in Figura 12, infatti, un utente CR può non essere in grado di individuare un trasmettitore primario e creare inconsapevolmente interferenza ad un ricevitore primario, a causa della distanza dal trasmettitore primario o degli effetti di propagazione sul canale radio quali shadowing e fading. Tali difficoltà possono essere parzialmente superate sfruttando la cooperazione tra utenti CR, che possono condividere le proprie misurazioni giungendo a rilevazioni complessive più 33

34 affidabili. Ovviamente in questo caso il prezzo da pagare è dovuto al traffico aggiuntivo che gli utenti CR generano per scambiarsi le proprie misure. Figura 12: Ambiguità nell'individuazione di un utente primario Rilevazione di un ricevitore primario. Una tecnica assai conveniente per rilevare la presenza di utenti primari consiste nell individuazione di ricevitori primari. Questi possono essere rilevati misurando la potenza di leakage emessa dall oscillatore locale del front-end. Il livello di tale potenza tuttavia è estremamente basso e di fatto attualmente questa tecnica può essere applicata con successo solo per rilevare ricevitori di segnale televisivo. Gestione del livello dell interferenza. Recentemente la FCC ha stabilito [1] che i terminali CR possono operare nella bande licenziate purchè il livello di interferenza totale sperimentato dai ricevitori primari sia al di sotto di un limite massimo consentito (il cosidetto inetrefernce temperature). Tuttavia ad oggi non è chiaro il valore al quale tale limite debba essere fissato nei diversi scenari applicativi e come un terminale CR possa valutare il livello di potenza emesso in modo il livello di interferenza a un ricevitore primario non ecceda il limite consentito. Come noto infatti, il livello di interferenza dipende dalla posizione dell interferente rispetto al ricevitore e dalle condizioni di propagazione sul canale radio Selezione del canale di frequenza (spectrum decision). La scelta della banda di frequenza su cui operare dipende ovviamente dalla disponibilità della banda, in particolare nel caso di banda licenziata non devono essere 34

35 presenti utenti primari, e dalla qualità ossia dal livello di interferenza misurato sul canale di frequenza. I passi da effettuare sono i seguenti. 1) Valutare l interferenza causata a utenti primari. Nel caso vi siano ricevitori primari, occorre stabilire il livello di potenza che l utente CR può utilizzare senza causare un peggioramento delle prestazioni dell utente primario. La determinazione del livello di potenza permesso consente all utente CR di stimare la capacità di canale disponibile. 2) Valutare l attenuazione. All aumentare della frequenza a cui si opera, l attenuazione subita dal segnale mentre di propaga nel mezzo trasmissivo aumenta e quindi si riduce la portata trasmissiva di un terminale CR. 3) Probabilità di errore. A seconda del livello di interferenza misurato sul canale, del livello di potenza trasmissiva consentito, delle condizioni di propagazione e dello schema di modulazione adottato, la probabilità di errore sul canale cambia. 4) Latenza. All aumentare della probabilità di errore e del numero di utenti che già utilizzano tale banda, la probabilità di fallimento delle trasmissioni aumenta, portando dunque ad un incremento del numero di volte che un pacchetto di traffico deve essere ritrasmesso e in generale al tempo necessario affinchè l informazione giunga correttamente a destinazione. 5) Probabilità di comparsa di un nuovo utente primario. Basandosi su modelli statistici relativi all utilizzo delle varie bande licenziate, è possibile stabilire la probabilità che in certi canali di frequenza al momento liberi possano iniziare ad operare utenti primari e che quindi sia necessario per l utente CR effettuare un cambio di banda Condivisione della banda selezionata con altri utenti CR (spectrum sharing). La natura condivisa del canale radio richiede il coordinamento dei tentativi di trasmissione tra utenti CR. In questo caso, la condivisione di banda dovrebbe comprendere molte delle funzioni tipiche di un protocollo MAC, nonché affrontare molti dei problemi tipici della progettazione di un protocollo MAC. Questi ultimi possono essere riassunti e classificati nel seguente modo: Architettura centralizzata o distribuita 35

36 Nel caso dell architettura centralizzata, l allocazione dello spettro e le procedure di accesso sono controllate da un entità centralizzata, a cui sono inoltrati i risultati delle procedure distribuite di rilevazione del segnale così che sia in grado di costruire una mappa di allocazione dello spettro. Inoltre l entità centralizzata potrebbe cedere in uso le frequenze ad alcuni utenti per un tempo limitato, definito dalla tipologia degli utenti (in questo caso potrebbero essere applicati meccanismi di leasing già sperimentati con successo in molti protocolli di rete, come ad esempio DHCP per l assegnazione dinamica degli indirizzi IP). Nel caso dell architettura distribuita, l allocazione dello spettro è demandata all implementazione di politiche locali, da cui traspaiono, ad esempio, le diverse esigenze di qualità di servizio degli utenti. Rispetto alla soluzione centralizzata, l architettura distribuita ha il pregio di non fare affidamento ad un unico point of failure, anche se a costo maggiore overhead dovuto allo scambio di messaggi di segnalazione tra utenti CR. Cooperazione nella condivisione Soluzioni cooperative sfruttano la disponibilità e la condivisione di misure di interferenza effettuate da ciascun nodo, in modo da quantificare gli effetti della trasmissione di un nodo su nodi limitrofi e modificare la porzione di spettro usata dai nodi. Soluzioni non cooperative hanno ovviamente l inconveniente di ridurre l uso dello spettro a causa delle interferenze generate tra i nodi, ma sono più semplici da implementare. Condivisione Overlay/Underlay Questa distinzione riguarda la possibilità, per gli utenti CR, di accedere solo a porzioni dello spettro non usate (i cosiddetti white space) da utenti in possesso di licenza (condivisione Overlay), oppure, usando tecniche mutuate dalle trasmissioni a spettro allargato, accedere a porzioni di spettro sottoutilizzate da utenti con licenza, per i quali le trasmissioni CR appaiono come rumore di fondo (condivisione Underlay). Quest ultimo tipo di condivisione permette l uso di più banda, al costo di maggiore complessità negli apparati di trasmissione. 36

37 Cambio di canale di frequenza (spectrum mobility). Dopo che un utente CR riesce a catturare una porzione di spettro ed iniziare le trasmissionio, l eventuale ricomparsa dell utente primario richiede un immediato cambio di canale di frequenza. Si determinerebbe quindi un vero e proprio handover tra frequenze diverse, con l attivazione dei meccanismi del caso, in vari punti dello stack protocollare. Al momento, non esistono lavori in letteratura che diano spunti adeguati su come affrontare in modo efficace, e con quali protocolli farlo, il problema dello spectrum mobility, anche se l esperienza maturata nel settore delle reti cellulari per quanto attiene l handover di chiamate tra frequenze della stessa cella o di celle diverse è fonte di spunto. 2.2 ATTIVITÀ DI STANDARDIZZAZIONE Nell attesa di una normativa nazionale o europea che regolamenti il settore, lo sforzo di standardizzazione portato avanti da IEEE a partire dal 2004 è la spia di un vasto interesse da parte di diversi vendor per l utilizzo delle tecniche Cognitive Radio. Il riferimento è al Working Group IEEE , che da diversi anni sta lavorando alla produzione di un documento di riferimento per l uso di tecniche Cognitive Radio nelle bande radio della televisione analogica. La produzione del documento finale dello standard è prevista per la prima metà del 2009 (non risulta ancora disponibile alla data di stesura di questa relazione) e pertanto di seguito si tratteggeranno solo le linee guida della bozza del documento di lavoro [3]. Anche se inquadrato in un contesto nordamericano in cui già oggi vaste aree del territorio non sono coperte da alcun segnale televisivo e sono quindi le naturali destinatarie di sistemi , IEEE punta a definire tecniche Cognitive Radio per la condivisione di spettro televisivo inutilizzato per fornire accesso a banda larga a zone rurali, a bassa densità abitativa o difficilmente raggiungibili. La scelta della banda televisiva risponde, ovviamente, alle qualità favorevoli di tali frequenze in termini di propagazione (anche in assenza di line-of-sight), bassa interferenza da parte di altre tecnologie industriali e dimensione contenuta delle antenne L architettura Facendo riferimento alle classificazioni introdotte nei paragrafi precedenti, osserviamo che IEEE punta ad un uso in assenza di interferenza verso l utente primario 37

38 utilizzando (i) riferimenti geografici contestualizzati con un database che fornisce la distribuzione sul territorio dell utenza primaria e (ii) funzioni di rilevazione di segnale. In particolare, le reti WRAN (Wireless Regional Area Network, come sono definite le reti in grado di applicare IEEE ) hanno l obiettivo di fornire accesso a banda larga ad aree di raggio intorno ai 30 km (fino ad un massimo di 100 km) in una configurazione con nodi fissi che comunicano secondo una modalità puntomultipunto. La rete è quindi strutturata intorno ad una stazione radiobase (BS) in grado di coordinare l accesso di un massimo di 255 apparati utente stanziali (CPE, Consumer Premise Equipments). I CPE dovrebbero essere equipaggiati con antenne direzionali poste ad almeno 10m dal suolo (in configurazione analoga alle attuali antenne riceventi del sistema televisivo). Il throughput minimo previsto si aggira sugli 1.5 Mb/s in downloink e 384 kb/s in upstream. L uso di frequenze particolamente basse ha lo svantaggio di esaltare le componenti di auto-interferenza dovute al multipath. In particolare, è stato stimato [2] che il livello fisico, grazie alle proprietà di OFDM, riesce a compensare il multipath fino a dispersioni temporali di 37 s. Lo standard si preoccupa di definire soltanto il livello fisico e il livello MAC Il livello fisico Per ciò che riguarda il livello fisico, le tre funzionalità principali sono: Trasmissione/ricezione dei segnali: le bande di frequenza interessate si estendono dai 54 agli 862 MHz, a seconda delle normative sull emittenza televisiva dei vari stati. L interfaccia radio è basata su OFDMA con 2048 sottoportanti ed usa solo la modalità TDD (per la difficoltà di individuare bande accoppiate in ambiente CR, anche se FDD è prevista quale sviluppo futuro). Non è previsto il supporto per MIMO, né l uso di tecniche di beamforming a causa della dimensione delle antenne ricetrasmittenti. I dati trasmessi sono inviati con segnali modulati come QPSK, 16-QAM o 64- QAM, e protetti da codifiche di canale più o meno robuste. Rilevazione dei segnali: in , sia la BS che i CPE effettuano rilevazione di segnale di tre diverse categorie: televisione analogica, 38

39 televisione digitale e apparati a bassa potenza come i microfoni senza fili. Lo standard definisce i requisiti della rilevazione attraverso quattro parametri: sensibilità del ricevitore, tempo di rilevazione del segnale, probabilità di rilevazione e probabilità di falsi allarmi. La geolocalizzazione e l uso di database: richiede l uso di apparati stanziali, la cui posizione deve essere nota con uno scarto non superiore ai 15m per la BS e non superiore ai 100m per i CPE. E richiesto che gli apparati siano equipaggiati con un dispositivo di geolocalizzazione (GPS o Galileo). L uso di un database di frequenze fornisce informazioni sulle frequenze occupate da utenti con licenza nell area in cui lavorano i nodi della WRAN Il livello MAC Sfruttando la configurazione punto-multipunto, la trasmissione in direzione downlink è gestita tramite trame temporali in cui i dati per i CPE sono schedulati dalla BS. In uplink, la capacità disponibile è divisa tra gli utenti secondo una modalità on-demand che tiene conto delle richieste effettuate dagli utenti stessi, una tipologia di interazione già presente in altre tecnologie come Hiperlan II e WiMax. Il livello MAC è anche responsabile delle procedure di advertising della BS verso i CPE: all inizio di ogni trama temporale in downlink, la BS invia uno speciale preambolo ed un intestazione di controllo su tutti i canali rilevati liberi secondo le procedure di rilevazione del segnale (e secondo le informazioni del database delle frequenze). Tutti i CPE che sentono il preambolo e decodificano le informazioni nell intestazione di controllo possono associarsi alla BS. Si osservi infine che il livello MAC gestisce anche la coesistenza di diverse WRAN, ciascuna coordinata da una diversa BS, su aree contigue dove la vicinanza può determinare problemi di interferenza co-canale. 2.3 BIBLIOGRAFIA [1] FCC, ET Docket No Notice of Proposed Rule Making and Order, Dec [2] Stevenson et al., IEEE : The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Network Standard, Communications Magazine, vol 47 (1), pp , Jan [3] IEEE P802.22/D1.0 Draft Standard for Wireless Regional Area Networks Part 22: 39

40 Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands, Apr

41 3 SEZIONE 3: Calcolo del Costo-Opportunità per l utilizzo dello spettro radio 3.1 INTRODUZIONE Questa parte del documento rappresenta la sintesi di un lavoro di ricerca volto a verificare l applicabilità di meccanismi di mercato alla gestione dello spettro frequenziale, in particolare a quelle sue porzioni che a causa dell avanzamento tecnologico e dell incremento di efficienza dei sistemi di comunicazione risultano non più necessarie alla fornitura di un servizio consolidato. La metodologia scelta per effettuare questa valutazione si basa su un modello proposto da Aegis (2004 e 2005) 1 ed applicato dall OFCOM in Gran Bretagna, che riassume considerazioni collegate principalmente al raggiungimento di una maggiore efficienza economica nell uso dello spettro. Questo è stato modificato cercando di inserire considerazioni più prettamente ingegneristiche e personalizzandolo per la realtà italiana. E necessario segnalare come tutti i valori numerici emersi siano la conseguenza di un elevato numero di ipotesi ed assunzioni e siano pertanto da considerare con opportuna attenzione. 3.2 GLI AIP (ADMINISTERED INCENTIVE PRICES) E LE LORO PROPRIETÀ ECONOMICHE Gli AIP (Administrative Incentive Prices) sono nati in UK e si basano sul metodo sviluppato nel 1996 da NERA Economic Consulting e Smith System Engineering Limited 2, introdotto nel 1998 con il Wireless Telegraphy Act. Gli AIP sono definiti come tariffe imposte ai possessori di licenze o a coloro che vantano diritti sullo spettro. Queste tariffe sono stabilite dal regolatore e riflettono il costo marginale per l uso dello spettro stesso, che si riferisce al costo opportunità calcolato osservando come la sostituibilità di una risorsa produttiva complementare varia in risposta ai 1 Aegis Systems Ltd., Indepen Consulting Ltd. and Warwick Business School (2004), "An economic study to review spectrum pricing"; Aegis Systems Ltd., Indepen Consulting Ltd (2005), "Study into the potential application of AIP to spectrum used for Terrestrial TV & Radio Broadcasting". 2 Study into the use of Spectrum Pricing, Study for the Radiocommunications Agency, NERA and Smith System Engineering Limited, April

42 cambiamenti d uso di una porzione marginale dello spettro 3. Si tratta del calcolo di quale dovrebbe essere l alternativa migliore se una particolare porzione di spettro non fosse disponibile. Tale costo opportunità è calcolato come la differenza del costo degli input produttivi che dovrebbe essere sostenuto qualora ad un utilizzatore dello spettro fosse negato l accesso ad una piccola frazione di spettro. Questi costi addizionali dipendono dal tipo di applicazione e dalla tecnologia utilizzata e consistono nel minimo costo stimato per fornire il servizio con l alternativa economicamente più vantaggiosa tra quelle disponibili. Tale metodo si basa sui principi generali dell economia secondo i quali le aziende, quando spinte da adeguati incentivi, scelgono e gestiscono le risorse in modo da minimizzare i propri costi di produzione complessivi. Quando le risorse (in questo caso particolare lo spettro) sono gestite efficacemente, la situazione è descritta come efficiente 4. I livelli di prezzo determinati dall applicazione dell AIP, quindi, segnalerebbero il valore della risorsa e garantirebbero una migliore allocazione e utilizzo della frequenza in base a considerazioni di mercato: se l AIP di una frequenza è considerato troppo elevato, chi detiene la risorsa potrebbe essere indotto a rilasciare le frequenze; tali frequenze potrebbero così essere rimesse nel mercato ed assegnate a chi è in grado di utilizzarle in modo più efficiente ed è quindi presumibilmente disposto a pagare di più. Gli AIP sono, pertanto, uno strumento che tende ad attribuire un valore vicino al valore di uso di una risorsa scarsa. Questi valori devono però essere ricalcolati in modo ciclico per tener conto dei diversi usi potenziali che lo spettro può avere a seguito di cambiamenti tecnologici e di mercato. All inizio, all adozione degli AIP, i prezzi erano calcolati secondo il costo-opportunità dello spettro basato sul tipo d uso che si faceva della risorsa, come suggerito dall approccio NERA Smith. I prezzi erano fissati poi a meno del 50% del costo-opportunità calcolato. In seguito, nel 2002, la Cave Review 5 suggeriva che gli AIP avrebbero dovuto essere 3 Si veda, per ulteriori dettagli, Cave M., C. Doyle, W. Webb, (2007) Essentials of Modern Spectrum Management 4 Cambini C. Sassano A. e Valletti T. (2007), "Le concessioni sullo spettro delle frequenze", in U. Mattei, in E. Reviglio e S. Rodotà, "Invertire la rotta. Idee per una riforma della proprietà pubblica", Il Mulino, Bologna 5 Review of Radio Spectrum Management, Study for Department of Trade and Industry and Her Majesty s Treasury, Martin Cave, March

43 applicati a livelli più realistici tra le diverse bande di frequenza. Inoltre i valori dei prezzi applicati allo spettro risultavano, secondo Cave, troppo bassi rispetto al costo-opportunità della risorsa. Il report affermava, quindi, fortemente che i prezzi avrebbero dovuto venire fissati al pieno costo-opportunità dove si verifica scarsità di spettro in una particolare banda. Nella sua risposta alla Cave Review, il Governo ha stabilito che la metodologia per la fissazione delle tariffe avrebbe dovuto essere rivista. Di conseguenza, nel 2003 fu commissionato al consorzio composto di Indepen, Aegis e Warwick Business School 6 un aggiornamento dell analisi NERA Smith sulla fissazione dei prezzi, per impostare una metodologia che avrebbe potuto essere applicata in maniera più ampia alle altre aree d uso dello spettro. Il report ha allargato il concetto di valore marginale in modo da includere il valore degli usi alternativi delle bande in aggiunta all uso esistente. Con le annual fees introdotte tramite gli AIP si va al di là del semplice recupero dei costi amministrativi, e si perseguono numerosi obiettivi di gestione: Efficienza e miglior uso dello spettro frequenziale Valorizzazione economica dello spettro come risorsa pubblica Innovazione dei processi e dei servizi che utilizzano frequenze Competizione nell uso delle frequenze e tra tecnologie Soddisfazione della domanda attuale e prospettica Nella review sulla procedura di gestione dello spettro commissionata dal governo britannico, Cave sosteneva che (paragrafo 7): The fundamental mechanism by which the spectrum regime could contribute to economic growth is through ensuring that users face continuous incentives towards more productive use of this resource. The review considers that these incentives should be financial and based on the opportunity cost of spectrum use. In this way, spectrum would be costed as any other input into the production process. Price signals about the cost of using spectrum would be disseminated throughout the economy. This information should enable dispersed economic agents to make their own judgements about their use of spectrum and the alternatives open to them to meet their organizational goals. 6 An economic study to review spectrum pricing by Indepen, Aegis Systems and Warwick Business School, 2004, 43

44 Nonostante i loro eccellenti propositi, bisogna notare tuttavia che non tutte le frequenze sono adatte per l impiego degli AIP. Nel decidere le bande di frequenza e i servizi per i quali dovrebbero essere applicati i prezzi incentivanti in UK viene adottato un mini test che risponde ad alcuni criteri: 1. Esiste un eccesso di domanda per lo spettro attualmente o in un futuro prossimo per gli usi esistenti? 2. Lo spettro può essere utilizzato per altri scopi e, nel caso, c è un eccesso di domanda da altri usi? 3. È praticamente possibile incassare le tariffe degli AIP dati i vincoli possibili dovuti all evasione o all uso illegale? 4. Ci sono delle procedure, dei fattori politici o impedimenti di altro tipo che rendendo difficoltoso l uso degli AIP? L impiego degli AIP in Gran Bretagna Per quanto riguarda l applicazione pratica del modello AIP, ad oggi solo pochi paesi basano la definizione dei canoni annuali per l uso dello spettro sul principio che questi debbano riflettere il costo opportunità della risorsa. Tra questi figurano l Australia, che da diversi anni basa il calcolo dei prezzi per l uso dello spettro su un meccanismo simile. Nonostante ciò, l Unione Europea, nel nuovo quadro regolamentare comunitario, fa esplicito riferimento alla possibilità di introdurre nuovi oneri economici finalizzati all utilizzo efficiente dello spettro (art. 4 della Direttiva Comunitaria 2002/77/CE della Commissione Europea). La Gran Bretagna è il paese europeo dove questi meccanismi di prezzi amministrati sono stati utilizzati in modo rilevante. Nelle Tabelle 1 e 2 sono riassunti alcuni dei principali valori di riferimento emersi negli studi Indepen Aegis (2004 e 2005). Si può notare come non vi sia necessariamente corrispondenza tra i costi opportunità calcolati e le tariffe suggerite. Le tariffe, infatti, tengono in conto delle particolarità delle singole frequenze e spesso sono soggette a specifici fattori correttivi. Si osservi inoltre che per considerare in maniera appropriata i valori riportati il lettore debba fare riferimento alla fonte, e tenere in conto delle ipotesi espresse per le rispettive valutazioni. In sede di calcolo dei costi opportunità le principali assunzioni riguardano le 44

45 stime dell area e della popolazione coperta dal servizio, dei costi delle attrezzature, del livello di traffico e di congestione: la sensibilità al variare di tali valori risulta peraltro molto elevata. 45

46 Tabella 1: Costi opportunità calcolati da Indepen Aegis Systems e Warwick Business School (2004). Valori espressi per MHz. Servizi Fissi Servizi Mobili Tipologia d uso Note Canale Valore in Sterline /anno Principale Driver Fixed links Media pesata Collegamento 2x1 MHz 132 Tecnologia usata FWA (Fixed Wireless Access) Altamente variabile con le assunzioni 2x1 MHz per stazione base Tra i 581 ed i Alternativa via cavo considerata Satellite 1 MHz per stazione terrestre Area di copertura PMR (Private Mobile Radio) 2x1 MHz 1,24milioni Popolazione coperta PAMR (Public Access Mobile Radio) 2x1 MHz 1,27milioni Livello di traffico Mobile Data / Tracking Costi simili a quelli dei PAMR Services Paging and CBS (Common Costi simili a quelli dei PMR Base Stations) Scanning Telemetry Costi simili a quelli dei PMR Cellular Services (2G) 2x1 MHz 1,68milioni Livello di traffico Broadcasting Altri Servizi Analogue Television 1 MHz 1 milione Popolazione coperta e costi tecnologia satellitare Digital Television 1 MHz 1,2 milioni Popolazione coperta e costi tecnologia satellitare Sound Broadcasting C.o. non stimato per eccessiva incertezza Aeronautical Communications 1 MHz Tra i ed i 1,65 milioni Programme making and special C.o. non stimato ma riferito ad altri events usi a seconda dei casi Science and Technology Il valore marginale non può essere stimato. Si fa riferimento ad altri usi: servizi mobili sotto i 3 GHz e collegamenti fissi al di sopra. Ministry of Defence Il valore marginale non può essere stimato. Si fa riferimento ad altri usi. Lo spettro sopra ai 3 GHz viene stimato sulla base della banda a 13 GHz usata per collegamenti fissi Costo delle stazioni di terra 2x1 MHz (sopra i 3 GHz) C.o. della banda a 13 GHz usata per collegamenti fissi 46

47 Tabella 2: Valori degli AIP proposti da Indepen Aegis Systems e W School (2004). Valori espressi per MHz. Servizio Note Canale Servizi Fissi Tipo di collegamento: 7,5 GHz, 14 MHz Tipo di collegamento: 7,5 GHz, 28 MHz Fixed Links Tipo di collegamento: 7,5 GHz, 56 MHz Tipo di collegamento: 13 GHz, 7 MHz Tipo di collegamento: 4 GHz, 30 MHz FWA (Fixed Wireless Access) Tariffe come quelle dei Fixed Links Servizi Mobili Broadcasting Altri Servizi Satellite PMR (Private Mobile Radio) Tariffe come quelle dei Cellular Services PAMR (Public Access Mobile Tariffe come quelle dei Cellular Radio) Services Mobile Data / Tracking Tariffe come quelle dei PAMR Services Paging and CBS (Common Tariffe come quelle dei PMR Base Stations) Scanning Telemetry Tariffe come quelle dei PMR Cellular Services (2G) Analogue Television Fonte: Report Indepen e Aegis sul broacasting (2005) Digital Television Fonte: Report Indepen e Aegis sul broacasting (2005) Aeronautical Communications Programme Making and Special Events Science and Technology Ministry of Defence Tariffe applicabili in aree sature alle stazioni di terra Tariffe fissate a seconda dei casi con riferimento ad altri usi sotto e sopra i 3 GHz Tariffe applicabili ad esclusione delle bande NATO Tariffa per la stazione terrestr 2x1 MHz 1 MHz 2 MHz - - -

48 Come quantificazione delle risorse economiche in gioco, si riportano nella Tabella 3 sottostante gli introiti annui da AIP che sono effettivamente percepiti in Gran Bretagna per i diversi servizi d uso dello spettro, con l unica eccezione del broadcasting, per il quale non si parla di AIP. Solo per i servizi di comunicazione pubblici e privati, gli AIP in Gran Bretagna ammontano circa 164 milioni di sterline annui, pari a circa 250 milioni di euro l anno. Tabella 3: Ricavi annui da AIP in Gran Bretagna, esclusi i servizi di broadcasting Per tipologia d uso Valore 2004/2005 (in migliaia di ) Valore 2005/2006 (in migliaia di ) Aeronautical Amateur and citizen s band 1, Broadcasting 2,454 4,001 Business radio 15,187 11,838 Fixed links 18,203 20,895 Maritime 1,723 2,031 Programme making and special events 1,145 1,412 Public Wireless Networks 63,868 63,011 Science and Technology Satellite Ministry of Defence 24,314 55,398 Total 132, ,094 (Fonte: Chris Doyle, AIP Market prices boost efficiency, Spectrum Tracker, March 2007) Si tenga in conto che in Tabella 2 la voce relativa a broadcast si riferisce a tariffe diverse dagli AIP e che l applicazione effettiva degli AIP anche ai servizi televisivi sarà effettivo solamente a partire dal L estensione dell applicazione degli AIP è stato recentemente oggetto di studio anche per i servizi radio digitali e per il broadcasting, sia analogico sia digitale (Aegis, 2005). Si consideri a riguardo delle valutazioni di Aegis (2005) che per le frequenze radio digitali DAB i valori medi dello spettro sono stati valutati pari a circa i 3,5 milioni/mhz mentre per quelli tradizionali si hanno valori che oscillano tra i 0,9 milioni/mhz per le frequenze AM e i 1,8 milioni/mhz per quelle FM. Inoltre i valori suggeriti da Aegis al regolatore britannico per frequenze televisive UHF si aggirano introno ai /MHz/anno. 48

49 Tenendo quindi in conto anche degli eventuali incassi delle frequenze radiotelevisive (circa 300MHz a /MHz/anno), il regolatore britannico si può attendere dai canoni di circa 300 milioni di sterline annue, ossia 450 milioni di euro l anno. I risultati dell applicazione degli AIP a marzo 2007 consistono, oltre agli introiti annuali già segnalati, in 28MHz di spettro rilasciato nella fascia sotto i 3GHz, ed in 160MHz di spettro rilasciato nella fascia 3-10GHz, da parte sia del settore pubblico che privato DESCRIZIONE DEL MACRO MODELLO Per definire in modo rigoroso un valore del costo-opportunità marginale utilizzabile come base per l introduzione di un meccanismo di mercato, abbiamo costituito un modello economico-ingegneristico capace di considerare i principali parametri in gioco. Nell ottica di costruire un unico modello capace di valutare il costo opportunità marginale dello spettro per un ampio numero di applicazioni e frequenze centrali è opportuno partire dalla definizione dell area per cui si vuole ottenere il costo opportunità marginale, che determina alcuni parametri utilizzati come input fondamentali, come la capacità trasmissiva complessiva richiesta sull area (per le trasmissioni bidirezionali) e la popolazione raggiunta e quella esclusa dal servizio nel caso di una riduzione di un unità marginale dello spettro disponibile (per le trasmissioni broadcast). Successivamente è necessario valutare il costo per elemento trasmissivo, definito come un insieme di elementi passivi e attivi, interconnessioni, alimentazioni e strutture collocate nel medesimo sito geografico che costituiscono l elemento minimo di una rete trasmissiva e specifico per ogni tecnologia. La valutazione di quest ultimo si basa sul progetto di un nodo trasmissivo campione, definito come un insieme di strutture e elementi collocati nel medesimo sito geografico, e rappresentativo dei nodi installati sull area oggetto di analisi. Ottenuti gli elementi che lo compongono, si calcola il suo costo annuo in termini di ammortamenti, manutenzioni, oneri finanziari e costi di gestione, richiedendo valutazioni a produttori, fornitori e operatori del settore ed effettuando una comparazione con la letteratura disponibile e con le esperienze effettuate in altri paesi. 7 Ofcom, Future pricing of spectrum used for terrestrial broadcasting, 2005, par Chris Doyle, Administered Incentive Pricing: Market prices boost efficiency, Article in Spectrum Tracker, March

50 Dopo aver ricavato i parametri fondamentali e di costo, il modello è applicato alla banda di frequenze oggetto di valutazione attraverso l unità marginale di spettro. Con questo strumento si definisce, per ogni tecnologia, la minima ampiezza di banda utilizzabile in modo economicamente accettabile per fornire il servizio oggetto di analisi. In altre parole, si definisce la minima dimensione di spettro che può subire un aumento o una diminuzione marginale, che dovrebbe riflettere l importo minimo che è (o che potrebbe essere) di beneficio pratico per l operatore. Per la maggior parte delle applicazioni la scelta dell unità marginale di spettro consiste nella selezione di un ampiezza di banda definita all interno degli standard di riferimento, effettuata sulla base della maggiore o minore popolarità tra gli operatori esistenti e della relativa disponibilità di apparati commerciali adatti a sfruttarla al meglio. Analizzando i diversi servizi erogabili con l utilizzo di radiofrequenze è emerso come per valutare la differenza di costo determinata da un incremento o da una riduzione marginale di spettro sia necessario distinguere tra servizi di trasmissione bidirezionale e servizi di broadcasting, a causa di peculiarità tecniche e di utilizzo che rendono impossibile una valutazione omogenea. La figura seguente riepiloga la struttura del modello. 50

51 3.4 LO SCHEMA BIDIREZIONALE La categoria dei servizi bidirezionali comprende tutte quelle applicazioni che richiedono una comunicazione tra apparati in due direzioni, che può essere tra gli apparati lato utente e i nodi di rete (es. telefonia mobile, WiMax, PMR, ecc...) oppure tra apparati dello stesso tipo (es. ponti radio fissi). Il calcolo del valore marginale dello spettro per questi servizi si basa sull assunzione che questo sia strettamente positivo solamente in aree ad alta densità di popolazione, dove i nodi di rete sono utilizzati al massimo della capacità disponibile. Il ragionamento si basa sul fatto che in queste condizioni è possibile studiare il valore marginale dello spettro svincolandosi da considerazioni trasmissive e di propagazione, che limiterebbero fortemente la generalità dei risultati trovati. In aree a bassa densità, infatti, vi sono alte probabilità che il riuso delle frequenze sia effettuato in modo ottimale, tale da non richiedere l utilizzo di tutta la banda allocata. In questa condizione il costo opportunità marginale di un unità incrementale di spettro potrebbe essere trascurabile. Un fattore critico per la corretta determinazione del costo opportunità marginale è il calcolo della capacità totale del servizio necessaria sull area analizzata. La sua derivazione si 51

52 basa sull analisi di dati storici di traffico e su considerazioni statistiche. Se il servizio si basa sulla fornitura di circuiti, si è scelta come unità di misura l Erlang (un unità adimensionale utilizzata nella telefonia come misura statistica del volume di traffico di telecomunicazione), mentre se il servizio è caratterizzato dalla fornitura di capacità trasmissiva a pacchetto, l unità di misura corrispondente è costituita dai Megabit al secondo. Mentre la capacità gestibile da un singolo nodo è calcolata direttamente, il traffico totale sull area si ricava da stime degli operatori presenti. Qualora queste non siano disponibili è possibile riportare risultati ottenuti in aree differenti ma con caratteristiche comparabili, tali da permettere l adattamento dei valori. Il calcolo per ottenere il costo-opportunità marginale si basa sul confronto tra due configurazioni di rete: la prima realizzabile con la banda ad oggi disponibile, la seconda conseguibile con un incremento o una riduzione di un unità marginale (elementare) di banda. Normalmente si verifica che per garantire una capacità predeterminata con minor banda disponibile è necessario incrementare il numero di nodi trasmissivi limitandone il raggio di copertura. L incremento dei nodi trasmissivi ha un impatto sulla struttura di costo dell operatore sia in termini di investimento (acquisto di apparati e allestimento) sia in termini di manutenzione e gestione (la complessità della rete cresce in modo pseudo esponenziale con il crescere del numero dei nodi). Dal confronto tra le due configurazioni si ricava il differenziale annuo di costo per l operatore, che costituisce il risparmio (o il maggior costo) determinato dalla disponibilità o meno di un unità di banda aggiuntiva. Questo valore, diviso per l ampiezza (in MHz) dell unità marginale di spettro, esprime il differenziale di costo per megahertz, che può essere assunto come valore marginale per 1 MHz di spettro. 3.5 LO SCHEMA BROADCAST Mentre nel caso di trasmissione bidirezionale è possibile superare le problematiche relative alla conformazione del territorio applicando il calcolo a nodi saturi (utilizzati al massimo della capacità disponibile), quando si parla di trasmissione broadcast non è possibile trascurare né le peculiarità del territorio, né il posizionamento dei trasmettitori esistenti, perché un trasmettitore broadcast non può saturarsi e il suo scopo principale è quello di raggiungere la maggior copertura possibile dell area considerata. 52

53 Come per il modello bidirezionale il valore marginale dello spettro deriva dal confronto tra due configurazioni di rete, ma in questo caso la differenza di banda, anziché richiedere l installazione di nodi aggiuntivi, determina la creazione di zone d ombra nella copertura. Come primo caso si utilizza la configurazione esistente nel territorio oggetto di analisi, mentre nel secondo si osserva quale porzione del territorio e della popolazione non viene raggiunta dal servizio. La popolazione che si trova così in aree prive di copertura deve essere raggiunta con tecnologie differenti. La tecnologia che risulta più adatta e meno costosa per la copertura di ampie aree è quella satellitare, che viene quindi utilizzata come miglior sostituto del servizio terrestre. Il differenziale di costo per l operatore, che risulta dal confronto tra le due configurazioni, rappresenta il costo opportunità marginale per un unità elementare di banda, da cui si può facilmente ricavare il costo opportunità marginale per 1 MHz. Come detto precedentemente, l area sotto analisi deve essere accuratamente definita in termini geografici, in modo tale da rendere possibile l esatta descrizione dei trasmettitori presente sul territorio e la loro copertura in termini di popolazione servita. Qualora non si disponga di fonti affidabili relative al numero di utenti raggiunti da ciascun trasmettitore, è necessario effettuare almeno una simulazione di copertura, con un dettaglio sufficiente a rendere possibile l individuazione su mappa dei centri abitati raggiunti, da cui si può ricavare una stima della popolazione 9. È anche possibile estendere ad un territorio più vasto le considerazioni ricavate per una sua porzione, accettando una riduzione della previsione della stima. In seguito all eliminazione di un unità marginale di banda, si verifica che una parte di utenza non è più coperta dal servizio; l operatore deve quindi provvedere a duplicare la propria infrastruttura di rete, in modo tale da recuperare l utenza persa con un servizio alternativo. La necessità di modificare la propria rete e di fornire all utente apparati idonei alla ricezione del servizio con la nuova tecnologia generano costi supplementari, che costituiscono il costo opportunità marginale dello spettro modificato. 9 Quando si parla di utenza è necessario specificare come la sua accezione possa variare a seconda del servizio analizzato; nel corso della trattazione, in cui analizzeremo unicamente la televisione digitale terrestre, questa è considerata pari al numero di nuclei famigliari. 53

54 3.6 IL MODELLO DI COSTING La complessità nel valutare il costo tecnologico o per elemento trasmissivo risiede nella specificità di ogni tecnologia, che richiede configurazioni e apparati significativamente diversi, oltre che nella difficoltà insita nella determinazione dei periodi di ammortamento e nel calcolo dei tassi di sconto. Per costo tecnologico si intende il costo che un operatore deve sostenere per acquisire un insieme di apparati adatti alla sostituzione del servizio broadcast, mentre per elemento trasmissivo si intende un insieme di elementi passivi e attivi, interconnessioni, alimentazioni e strutture collocate nel medesimo sito geografico che costituiscono l elemento minimo di una rete trasmissiva. A seconda del tipo di applicazione questo può assumere il nome di nodo, cella, segmento di diffusione, ecc... Le voci che determinano il costo di un nodo possono generalmente essere suddivise in: costo delle logiche, degli apparati e delle interconnessioni operative, in cui figurano le antenne, i filtri, gli apparati trasmissivi interni ed esterni, gli apparati di supporto, sincronizzazione gestione, i cablaggi e la protezione per l'alimentazione (UPS, gruppo elettrogeno, quadro elettrico); costo di allestimento, che può avvenire in campo aperto (con la costruzione di un traliccio o di altra infrastruttura idonea) oppure su edificio, tramite l ancoraggio di strutture metalliche a strutture esistenti in calcestruzzo; costo di interconnessione con la rete dell operatore, per il quale si è ipotizzato che possano coesistere otto tecnologie (satellite bidirezionale, fibra ottica, HDSL, WiMax, Hiperlan, ponte radio IP-Ethernet, ponte radio pdh, ponte radio Stm1) e che queste siano utilizzate su una percentuale dei nodi di rete 10. Il costo tecnologico, invece, si basa su un dettaglio inferiore a quello utilizzato per ricavare il costo di un elemento trasmissivo ed è ottenuto tramite richieste di offerta e indagini di mercato. 10 Solo nel caso in cui l interconnessione sia necessaria, condizione verificata per la fornitura di tutti i principali servizi di comunicazione che utilizzano frequenze. 54

55 3.7 COSTO OPPORTUNITÀ PER LA BANDA MHZ DVBT IN ITALIA E interessante analizzare il costo-opportunità per lo spettro adibito alle trasmissioni digitali terrestri. Si procede comparando i valori e le assunzioni con quelle effettuate da Indepen, Aegis e Warwick Business School per lo spettro adibito alla televisione analogica in Inghilterra. La valutazione in Gran Bretagna considera la presenza di due emittenti pubbliche, ciascuna dotata di tre canali fisici di trasmissione e prevede la liberazione di due canali da 8MHz, per una riduzione totale pari a 16MHz, assumendo implicitamente che le due emittenti si accordino per ridurre i costi derivanti dalla riduzione di banda. Considerando le caratteristiche del mercato italiano, la nostra valutazione propone due scenari: il primo in cui ogni emittente nazionale dotato di tre canali trasmissivi è considerato un soggetto indipendente, che in seguito alla rimozione di un canale di 8 MHz, si dota autonomamente di tutta la struttura necessaria a fornire il servizio alternativo; il secondo in cui i due principali operatori nazionali si accordano e in seguito optano per la riduzione di due canali (per un totale di 16 MHz) e predispongono congiuntamente l infrastruttura alternativa. Questa considerazione, unita ad una differente valutazione dell utenza che si trova ad essere privata del servizio (si considera una rete isofrequenziale, in cui la rimozione di un canale determina il completo offuscamento della copertura sull area di valutazione), determina un valore differente per il costo opportunità di 1MHz di banda adibito al servizio trasmissivo digitale terrestre. Includendo effetti dovuti all inflazione (8,2% in quattro anni) e paragonando il valore al MHz ottenuto nel 2005 dallo studio Aegis ( Study into the potential application of Administered Incentive Pricing to spectrum used for Terrestrial TV and Radio Broadcasting, 2005) applicando il tasso di cambio Sterlina/Euro in vigore all epoca (1,5) si ottiene la seguente tabella di confronto. 55

56 Luogo di valutazio ne Anno Modello Popolazione coperta dal servizio Inghilterra 2005 Indipenden Aegis (pp. 75) Inghilterra 2005 Indipenden Aegis (pp. 75) Inghilterra 2005 Indipenden Aegis (pp. 77) Tipologia di costo 58,8 Milioni Costo di migrazione da Analogico a Satellite 58,8 Milioni Costo di migrazione da Analogico a DTT 58,8 Milioni Costo di migrazione da DTT a Satellite con condivisione costo satellite Italia 2009 Cambini-Garelli 60,05 Milioni Costo di migrazione da DTT a Satellite Italia 2009 Cambini-Garelli 60,05 Milioni Costo di migrazione da DTT a Satellite con condivisione costo satellite Valore per 1MHz 3,5 Milioni 1,7 Milioni 4,4 Milioni 5,0 Milioni 4,0 Milioni Si procede descrivendo la successione di passi per il calcolo del valore delle frequenze televisive digitali passi dell analisi Il modello è applicato inizialmente alla Regione Sardegna, l unica di cui disponiamo dati sufficientemente completi per quanto riguarda la transizione dal sistema analogico a quello digitale. Le considerazioni sono poi estese a tutto il territorio nazionale. 1) Si identifica l'unità di frequenza marginale. L'unità di frequenza marginale per il segnale digitale consiste nell apportare una variazione nel numero di canali fisici di trasmissione per un multiplex del servizio pubblico (la valutazione Aegis prevede la variazione per due multiplex). Si passa da 3 a 2 canali fisici, considerando nell infrastruttura la presenza di un apparato trasmissivo di backup per un canale. 56

57 Passare da 24 MHz a 16 MHz comporta che la copertura di un canale sia azzerata (Aegis stima arbitrariamente una riduzione nella copertura pari al 5%) 2) Si stimano gli utenti persi con la riduzione marginale di spettro. Assumendo che il rapporto tra la popolazione residente e il numero delle famiglie sia pari a 0,3589 (Istat) il numero dei nuclei famigliari totali in Italia è pari a 21,5 Milioni (Aegis considera una perdita lorda di utenza pari a 1,3 Milioni di utenti su una base di 28,5 Milioni di nuclei famigliari) 3) Si considera che una parte degli utenti considerati sia già servita da servizi sostitutivi. In UK si assume che TV via cavo o satellite siano servizi sostitutivi del segnale analogico per il 35% degli utenti al tempo dello switchover. In Italia questo valore è pari al 30,2% degli utenti. Di conseguenza gli utenti che perderanno ogni copertura sono 14,8 Milioni. Il risultato rappresenta il numero di nuclei famigliari effettivi che perde la copertura del segnale. 4) Si assume che per dotare questi utenti di servizi sostitutivi quali cavo o satellite si debba sostenere un costo unitario per nucleo famigliare. Si considera un costo per fornire il servizio via satellite pari a 27 euro, nell ipotesi di trasferire interamente all utente i costi di installazione. Questo importo è ammortizzato su un periodo di 10 anni ed è calcolato il costo annuale equivalente ad un tasso dell 8,64%. 5) Dal costo totale per provvedere i servizi sostitutivi si sottraggono i mancati costi che sarebbero stati sostenuti nel provvedere il segnale digitale terrestre. Si riporta tale risparmio al costo annuale equivalente all 8,64%. 6) Di conseguenza il costo netto annuale che si deve sostenere per coprire le aree scoperte con il satellitare è di circa 40,5 milioni di Euro. 7) Considerando che tale costo-opportunità deve essere messo in relazione con la quantità di banda di frequenza rilasciata, che è equivalente a 8 MHz, il costoopportunità è uguale a 5,07 Milioni/MHz. Il primo passo per ricavare il costo opportunità delle frequenze assegnate al servizio televisivo digitale terrestre in Italia è stato quello di utilizzare come riferimento il territorio della Sardegna, in quanto questa è la prima regione ad aver completato lo switch-off 57

58 (transizione dal sistema televisivo analogico a quello digitale), presentando quindi una documentazione di riferimento completa. Le fonti principali su cui si basano le considerazioni e i valori contenuti nei paragrafi seguenti si basano sui seguenti elementi: Delibera n. 53/08/CONS (Piano di assegnazione delle frequenze per il servizio di radiodiffusione televisiva in tecnica digitale nella Regione Sardegna in previsione dello switch off) con i relativi allegati e relazioni tecniche; Masterplan con cui la Fondazione Ugo Bordoni (FUB) ha gestito la transizione per lo switch-off nella regione nel mese di ottobre 2008; Modello di valutazione britannico per il broadcast digitale redatto da Aegis An economic study to review spectrum pricing. Come previsto dal modello broadcast il costo-opportunità è calcolato nell ipotesi di provvedere, in seguito alla rimozione di un unità marginale di spettro adibito a trasmissioni televisive su digitale terrestre, un servizio sostitutivo via satellite. Va notato come in questa analisi le frequenze digitali terrestri siano considerate solamente dal punto di vista della fornitura del servizio televisivo terrestre. Una valutazione più approfondita richiederebbe di tenere in conto gli altri servizi che il digitale terrestre rende possibili. Infatti, nel momento in cui servizi come televisione ad alta definizione, televisione mobile o pay per view avranno una maggiore diffusione, le considerazioni ottenute in questo paragrafo dovranno essere riviste. I valori ricavati si possono, quindi, considerare conservativi Definizione dell unità marginale di spettro La quantità differenziale di spettro che un operatore può variare, nel caso del digitale terrestre, corrisponde al Multiplex (detto brevemente Mux). Con questo termine si fa riferimento alla tecnologia del multiplexing 11, attraverso la quale più canali di contenuto sono trasmessi contemporaneamente sullo stesso canale fisico. In Sardegna i canali fisici sono di 7 MHz per la banda VHF e di 8 MHz per la banda UHF. Si assume come unità marginale un canale fisico di 8MHz 58

59 Definizione dell area di applicazione Gli obiettivi di copertura dei Mux sono molto differenti tra di loro, quindi per valutare l unità spettrale la scelta del Mux valutato non è indifferente. Per calcolare la popolazione servita dai diversi Mux e per fare delle considerazioni su quale selezionare per la valutazione, si è cominciato ottenendo la percentuale di copertura della popolazione per ogni canale di trasmissione (Mux). Le informazioni relative alla copertura risultano disponibili a livello aggregato di popolazione, a livello aggregato di territorio e a livello di dettaglio provinciale. Ottenuta questa informazione, si è proceduto moltiplicando i valori della copertura provinciale di ogni canale per i valori totali di popolazione registrata all anagrafe 12, ottenendo così la popolazione potenziale coperta dal segnale. Nel caso di presenza anche di una sola antenna nella provincia di assume che la popolazione coperta sia pari alla copertura potenziale dal trasmettitore, in caso contrario la popolazione coperta si ipotizza nulla. Questa è evidentemente un approssimazione, in quanto un antenna posizionata sul terreno di una provincia potrebbe trasmettere in buona parte anche nelle province limitrofe. Il territorio inoltre presenta un orografia con caratteri montagnosi e collinari e si assume che il segnale di ogni antenna risulti ben delimitato e confinato all interno della provincia su cui è localizzato. Si assume inoltre che non vi sia copertura proveniente dalle regioni più prossime, data la caratteristica insulare della Sardegna. Per ottenere le informazioni di cui sopra si è utilizzato un database contenente per ogni provincia della Sardegna l elenco di tutti i comuni 13. Dal masterplan si sono rilevati per ogni Mux i comuni di ubicazione dei trasmettitori. A questo punto si tratta di scegliere quale Mux utilizzare ai fini del calcolo del costoopportunità della risorsa spettrale. La soluzione migliore appare quella di calcolare il valore del costo opportunità per ogni Mux, mostrando come le valutazioni dello spettro siano sensibili rispetto ai diversi livelli di 11 Nelle telecomunicazioni, il multiplexing è il meccanismo secondo cui più flussi di dati sono trasmessi su un singolo collegamento fisico. 12 Come risultanti dai tabulati ISTAT

60 copertura della popolazione. Tuttavia il valore da utilizzare per l eventuale determinazione del valore di un AIP è quello del costo opportunità corrispondente alla minor copertura della popolazione. Questo è vero se si suppone di applicare un AIP al territorio di riferimento (Sardegna) e se si suppone che il valore del costo-opportunità cresca in maniera direttamente proporzionale con la copertura della popolazione (così che ad una minore copertura corrisponde una stima più conservativa del costo-opportunità). Il Mux che copre meno popolazione è quello di Mux6-RAI, che tuttavia, è riservato alla sperimentazione della tv DVB-H, e non alle trasmissioni DVB-T. Appare quindi più conveniente evitare di considerare un caso tanto particolare e selezionare la seconda alternativa, costituita dal Mux di ReteCapri (che, sebbene risulti essere una emittente nazionale, ottiene bassa copertura perché le frequenze sono usate parzialmente per il coordinamento internazionale). Si ipotizza che il rapporto Mux/popolazione raggiunta sia mediamente uniforme sul territorio nazionale, da cui si ricava come per la copertura di quest ultimo siano utilizzati circa il nodi trasmissivi. Il dato è avvalorato dal numero di stazioni trasmittenti e ripetitrici in possesso di RaiWay, gestore degli apparati RAI, che sono Se si considera che per ogni nodo trasmissivo il nostro modello ipotizza l esistenza di 0,5 ripetitori e di 0,29 gap filler, otteniamo un totale di stazioni necessarie per la copertura dell intero territorio nazionale Determinazione del costo-opportunità netto La determinazione del costo opportunità consiste nel calcolo dei costi netti totali per il passaggio sul satellite dell utenza che non è più raggiunta dal servizio terrestre (depurati dei mancati costi dovuti alla gestione dei trasmettitori del segnale terrestre), in seguito alla risuzione di banda. Tale valore, stimato per l intero canale fisico su cui opera un Mux, deve essere diviso per il numero di MHz del Mux considerato. Analizzando i costi-opportunità calcolati per i Mux della regione Sardegna, ordinati per valori crescenti, non vi sono differenze importanti sulla base della distinzione tra emittenti locali e nazionali, ma le differenze nascono sulla base della popolazione coperta 14. Per questa ragione il principale driver che determina l ammontare del costo-opportunità è la popolazione 60

61 raggiunta Modello Le tabelle seguenti mostrano il modello di calcolo utilizzato per ricavare il costo opportunità marginale dello spettro adibito alla trasmissione televisiva digitale in Italia, nello scenario che prevede che i due principali operatori nazionali si accordino per condividere i costi per la fornitura di un servizio sostitutivo. La Configurazione 1 rappresenta la situazione iniziale, in cui gli operatori hanno a disposizione sei canali fisici complessivi. Nella Configurazione 2 è inibito l accesso a due canali, quindi rispetto alla situazione iniziale (3 canali per operatore) si ottengono 4 canali totali utilizzabili dai due operatori. Secondo l assegnazione attuale lo spettro disponibile per il servizio televisivo è riepilogato come segue: Frequenza centrale , , Banda totale disponibile 454 MHz N Canali 44 (da 57 totali) Banda per canale 8 MHz La tabella seguente riepiloga la variazione di canali tra le due configurazioni oggetto di confronto: Configurazione 1 Configurazione 2 Unità elementare di banda (MHz) N canali per nodo di trasmissione 6 4 Si stima poi il numero di impianti necessari per determinare una copertura ottimale del territorio sotto analisi. Nell applicazione alla situazione italiana abbiamo ipotizzato che il numero di impianti cresca linearmente con l utenza presente nell area e che il rapporto Impianti/Utenti si mantenga identico a quello ottenuto per la regione Sardegna, dove a fronte di una popolazione di abitanti sono presenti 87 trasmettitori. Estendendo il rapporto al territorio 14 Si tenga presente che popolazione coperta e numero di utenti sono direttamente proporzionali. 61

62 italiano, che presenta una popolazione di di abitanti (Censimento Istat 2001) otteniamo i valori in tabella. Si tratta di un evidente semplificazione, che può portare ad una stima distorta del risparmio per l operatore derivante dalla dismissione (mancata implementazione) di due canali terrestri. Numero impianti necessari per la copertura del territorio analizzato 1125 Popolazione sul territorio analizzato Rapporto Famiglie/Popolazione 0,3589 Numero famiglie servite dal servizio televisivo sul territorio analizzato E ora necessario analizzare quale parte della popolazione sia già raggiunta da servizi alternativi (servizio satellitare, televisione via cavo o IPtv). In Italia la rete televisiva cablata è pressoché inesistente e il servizio Iptv, fornito principalmente dall operatore Fastweb, raggiunge una penetrazione inferiore all 1%. L unico fornitore che permette una fruizione del servizio alternativa a quello terrestre è Sky, che raggiunge circa il 30% della popolazione. % utilizzo satellite 30,24% % utilizzo iptv 1,00% % utilizzo cable tv 0,00% Utenza già servita da servizi sostitutivi L'eliminazione di un'unità elementare di banda determina l'impossibilità di raggiungere con i canali oggetto di oscuramento le famiglie sul territorio considerato, ad esclusione di quelle che hanno servizi sostitutivi. Sottraendo all utenza totale quella già servita da servizi sostitutivi si ottiene la riduzione netta di utenza dovuta alla riduzione di banda tra le due configurazioni. Perdita di utenza dovuta all'eliminazione un'unità elementare di banda Dal momento che stiamo cercando di ricavare il costo-opportunità marginale dello 62

63 spettro per un periodo annuale è necessario trasformare gli investimenti sostenuti per il dispiegamento della rete in valori annuali di ammortamento, che tengano conto anche del costo-opportunità del capitale e dei costi di manutenzione, posti arbitrariamente pari a 5000 Euro per impianto. Periodo di ammortamento (anni) 10 Manutenzione 5000 Il tasso utilizzato per tenere in considerazione il costo-opportunità del capitale è ricavato secondo il modello WACC, Weighted Average Cost of Capital, utilizzando parametri tipici del mercato delle telecomunicazioni, ricavati dall analisi delle performance di borsa e di bilancio dei principali operatori europei. Wacc 0,0868 Tasso di interesse privo di rischio 0,05 % presa a debito 0,5 Beta 1 Aliquota di tassazione 0,33 Premio di rischio sul debito 0,03 Premio di rischio sul capitale 0,07 Il costo annuale per ogni impianto è riassunto nella tabella seguente, mentre i valori di investimento da cui deriva, ricavati ricostruendo le caratteristiche di un impianto medio, sono riepilogate in Allegato I. La differenza di costo tra le due configurazioni è determinata dal fatto che nella Configurazione 2 il numero di Mux è inferiore. Configurazione 1 Configurazione 2 Costi di impianto , ,21 N medio di link di dorsale per cella 1 1 Si sceglie come migliore alternativa il servizio satellitare, che è il più adatto a coprire ampie aree con costi contenuti. Il costo per la fornitura del servizio sostitutivo è formato da due elementi: il costo per la predisposizione della piattaforma trasmissiva e quello necessario per dotare gli utenti del sistema ricevente (decoder). Ipotizziamo che la piattaforma trasmissiva sia noleggiata da un fornitore come Eutelsat, Intelsat o Telespazio, cui abbiamo 63

64 richiesto valutazioni budgetarie, riepilogate nella tabella seguente. Si ipotizza che gli operatori affittino un canale trasmissivo adatto a garantire un servizio di alta qualità, paragonabile a quello ottenibile su un canale fisico da 8MHz con il DVB-T. Costo per la diffusione satellitare N* Canali 2 (affitto per 10 anni) Costo annuo satellite broadcast per un canale (equivalente al mux 8MhZ) E anche necessario fornire agli utenti un decoder adatto a ricevere il servizio. Da una valutazione di prezzi end-user per un largo numero di decoder satellitari otteniamo che il prezzo medio di acquisto si colloca intorno a 35 Euro. Per ricavare il costo che l operatore deve sostenere per ogni utente è necessario considerare l effetto volume determinato dall acquisto di grossi quantitativi e i costi dovuti alla preconfigurazione e alla gestione (handling e spedizione) degli apparati. Ipotizziamo che il costo unitario per l operatore sia pari a 42 Euro (in linea con le stime Independ Aegis), comprensivi della smart card che contiene i codici identificativi e di crittografia. Costo per la ricezione satellitare 42 Decoder 40 Smart Card 2 Se si moltiplica il costo per impianto per il numero di nodi presenti sull area considerata e nella Configurazione 2 si aggiungono i costi dovuti alla fornitura del servizio sostitutivo, si ottengono i costi seguenti, che portano ad un costo-opportunità marginale per lo spettro pari a 4M. 64

65 Configurazione 1 Configurazione 2 Costo annuo complessivo per l'operatore , ,46 Differenziale di costo per la variazione ,16 di un'unità elementare di banda Differenziale di costo per 1 MHz , Analisi di sensitività A questo punto si è tentato di considerare se i valori dei costi opportunità calcolati possiedano un ordine di grandezza che permetta un confronto con i canoni televisivi attualmente pagati 15. Il costo opportunità per la Sardegna, provenendo da considerazioni su base regionale, potrebbe essere utilizzato solamente per un confronto approssimativo con i canoni pagati dalle televisioni locali. Tuttavia bisogna notare come il costo opportunità non rappresenti in maniera diretta una proposizione di prezzo, e come un paragone tra i due valori, sebbene immediato, non sia in principio totalmente corretto. Questo perché il calcolo degli AIP tiene conto di più costi-opportunità, calcolati anche su bande adiacenti ed usi alternativi. A questo si aggiunge anche il fatto che solitamente essi vengono rivisti al ribasso. Tuttavia si osservi che un emittente locale che nel sistema analogico trasmetteva su 2 MHz, con un canone massimo di all anno (come cap sull 1% del fatturato), avrebbe un costo opportunità di Si osservi che, anche supponendo da una parte una valutazione eccessiva del costoopportunità e dall altra un valore troppo basso del canone attuale pagato, il divario è tale da indicare che lo spettro sia essenzialmente sottovalutato. Parallelamente si potrebbe supporre che il cap sull importo del canone, previsto per sostenere le piccole televisioni locali, costituisca in realtà una forte sovvenzione statale che andrebbe rivista sulla base di opportune considerazioni economiche. Analizzando un estensione del modello all intera realtà italiana, effettuata considerando la linearità del modello e inserendo al suo interno la popolazione totale che sarà raggiunta dal servizio televisivo digitale sul territorio italiano 16 si nota come il valore del costo opportunità per 1 MHz di banda assuma una serie di valori centrali intorno ai 5,0 milioni di euro. 15 Si ricordi che i canoni di concessione sono ad ora fissati all 1% del fatturato degli emittenti televisivi. 16 Ipotizzata equivalente a quella raggiunta dal servizio analogico. 65

66 Se ipotizziamo di applicare questo valore alle due principali emittenti nazionali, Rai e Mediaset, otteniamo che per l utilizzo di tre Multiplex ciascuna dovrebbe versare allo Stato una cifra pari a circa 144 milioni di euro l anno. Si consideri che, secondo Ofcom, l attuale sistema di pagamento per l insieme dei cinque programmi analogici inglesi si attesta intorno ai 330 milioni di sterline annui, suddivisi in circa milioni per BBC1, BBC2, ITV e Channel 4 e milioni per Channel Five. Dunque circa milioni di euro annui per le maggiori emittenti analogiche. Bisogna anche considerare che ITV ha pagato, nel 2005, 80 milioni di sterline di canone e Channel Five 10 milioni. Considerando i canoni pagati dagli operatori nazionali, come già segnalato nel caso delle televisioni locali, si nota come essi non riflettano minimamente il costo-opportunità dello spettro da essi utilizzato ed introducono un inefficienza economica ed un extra profitto per le emittenti, che si traduce in riduzione del benessere collettivo. Se si ipotizza che le due principali emittenti nazionali (che utilizzano 3 canali da 8MHz ciascuna) possano affrontare congiuntamente i costi relativi ad una diminuzione dello spettro disponibile, si può verificare la seguente situazione: 66

67 Ad entrambe le emittenti è precluso l accesso ad un canale, per un totale di riduzione di spettro di 16MHz Le emittenti decidono di sopportare congiuntamente i costi per la fornitura del decoder satellitare all utenza, che utilizzeranno per fornire entrambi i canali rimasti senza copertura Il costo per la fornitura del servizio satellitare (affitto del canale broadcast sul satellite) si incrementa da Euro/anno a Euro/anno (ipotizziamo un incremento lineare del costo) Si assume un costo della fornitura del decoder di 42 (40 per il decoder e 2 per la smart card) in linea con quanto sviluppato da Aegis (2005) Il differenziale di costo emergente per gli operatori è pari a 64,4 Milioni di Euro/anno, che diviso per l ampiezza dello spettro complessivo (16MHz) porta ad un costo-opportunità marginale per 1 MHz di spettro pari a 4,026 Milioni di Euro. Se il costo del decoder scendesse a 25 più 2 di smart card, il costo al MHz scenderebbe a 1,9 milioni di euro. 3.8 ANALISI DEL COSTO-OPPORTUNITÀ PER LE BANDE 900MHZ E 2100MHZ PER IL SERVIZIO UMTS IN ITALIA L analisi del costo-opportunità per lo spettro adibito alle trasmissioni UMTS deve tenere in considerazione il fatto che questa tecnologia è progettata per fornire servizi su due mercati storicamente indipendenti (fonia mobile e trasmissione dati), configurandosi a tutti gli effetti come un sistema di trasporto e terminazione multi-uso. Per tenere in considerazione l evoluzione tecnologica e l allargamento del mercato dei servizi si è suddivisa l analisi in tre fasi, in ciascuna delle quali si osserva una particolare combinazione di assetto tecnologico e domanda di servizi, soprattutto a larga banda. 67

68 1) 3G-UMTS 2) 3G-UMTS/HSDPA 3) 3G-HSUPA/HSDPA Capacità di picco DL: UL: Capacità tipica DL: UL: Latenza elevata ( ms) Capacità di picco DL: 1.8 UL: Capacità tipica DL: 0.7 UL: Latenza ridotta (80-120ms) Capacità di picco DL: 3.6 UL: 2.4 Capacità tipica DL: 1.5 UL: 1.0 Latenza ridotta (80-120ms) Dimensione del mercato Figura 13 - Fasi dell analisi. Fonte: Umtslink.at, valori di capacità espressi in Mbit/s Dal punto di vista degli standard 3GPP, organizzazione che emette le linee guida per le trasmissioni UMTS, le release considerate sono la 99 (prima versione con interfaccia CDMA), la 5 (introduzione di HSDPA) e la 6 (introduzione di HSUPA). Rel.99 Rel.4 Rel.5 Rel.6 Rel.7 Rel.8 Evoluzione degli standard 3GPP Figura 14 - Evoluzione degli standard UMTS con indicazione delle Release considerate nell analisi Dal momento che il modello utilizzato per il calcolo del costo-opportunità marginale ipotizza che lo spettro abbia un costo-opportunità positivo solamente in aree ad alta densità di popolazione, condizione per cui si assume che le celle siano vicine al livello di saturazione della capacità, il valore ottenuto per lo spettro a 900MHz e 2100MHz è identico. Questa semplificazione, effettuata per evitare di dover considerare la morfologia del territorio e le caratteristiche della propagazione all interno del modello, porta all ottenimento di valori del costo-opportunità marginale per lo spettro destinato al servizio UMTS 68

69 sicuramente conservativi. I valori ottenuti nelle tre fasi dell analisi per l applicazione del modello al territorio italiano sono riepilogati nella tabella seguente: Costo/opportunità marginale per 1MHz di banda 3G-UMTS 3G-UMTS/HSDPA 3G- HSUPA/HSDPA 4,2 Milioni 6,1 Milioni 10,5 Milioni E possibile creare una tabella di raffronto tra i valori per MHZ ottenuti in fase di assegnazione delle licenze e quelli che emergono dall applicazione del modello presentato nelle pagine seguenti. Luogo di valutazione Anno Modello Popolazione coperta dal servizio Valore per 1MHz Valore per MHz/person a Francia 2001 Beauty contest 59,7 Milioni 19,6 Milioni 0,33 Germania Asta in tornate 2002 multiple 83,2 Milioni 17,5 Milioni 0,21 Regno Asta in tornate 2002 Unito multiple 59,7 Milioni 4,2 Milioni 0,07 Italia Asta in tornate 2002 multiple 60,05 Milioni 12,1 Milioni 0,2 Italia 2009 Beauty contest 60,05 Milioni 8,9 Milioni 0,14 Italia Cambini Garelli Fase 1 60,05 Milioni 4,2 Milioni 0,069 Italia Cambini Garelli Fase 2 60,05 Milioni 6,1 Milioni 0,101 Italia Cambini Garelli-Fase 3 60,05 Milioni 10,5 Milioni 0, I passi dell analisi Per ottenere il costo-opportunità marginale si applica il modello da noi sviluppato nell ambito di una valutazione generale dello spettro avviata dalla Fondazione Ugo Bordoni per il Ministero delle Comunicazioni italiano nel ) Si identifica l area di applicazione, in questo caso il territorio italiano 69

70 2) Si identifica l'unità di frequenza marginale. L'unità di frequenza marginale per il sistema UMTS consiste in due canali di 5MHz utilizzati rispettivamente per uplink e downlink (tecnologia FDD Frequency Division Duplex) 3) Si identifica il numero di utenti che utilizzano il servizio nell area di riferimento e si stima la banda media utilizzata da ognuno di essi in orari di punta e in zone ad alta densità, dove le celle sono vicine alla saturazione 4) Si stima il numero di celle necessarie per fornire il servizio in aree ad alta densità di popolazione, dove le celle sono in saturazione, nell ipotesi che non sia disponibile un unità marginale di spettro aggiuntiva. 5) Si stima il numero di celle necessarie per fornire il servizio nel caso in cui si renda disponibile un unità di spettro aggiuntiva 6) Si ricava la differenza di costo tra le due configurazioni di rete (determinata dal numero di celle necessarie) e si determina il costo-opportunità per un unità marginale di spettro sull area di valutazione 70

71 5MHz Upload 1- Area di applicazione 5MHz Download 4- Stima del numero di celle con spettro attuale $$ UL DL 2- Unità marginale di spettro Costo per cella Costoopportunità 6-Differenza di costo 3- Utilizzatori e consumi 5- Stima del numero di celle con spettro aggiuntivo $$ Figura 15 - Passi dell analisi FASE 1 - Valutazione del costo opportunità marginale per il servizio 3G- UMTS Definizione dell unità marginale di spettro La quantità differenziale di spettro che un operatore può variare, nel caso del sistema UMTS, corrisponde a 10MHz, pari a due canali da 5MHz (UL e DL) separati da circa 200MHz, come definito dallo standard 3GPP Definizione dell area di applicazione La valutazione è effettuata per l intero territorio italiano. Sebbene le caratteristiche di concentrazione della popolazione abbiano una variabilità significativa all interno del territorio, la struttura del modello che prevede l utilizzo della capacità della cella e della popolazione totale come unici driver per la determinazione dell architettura di rete, permette di effettuare un approssimazione e di analizzare l intero territorio/popolazione italiana Determinazione del traffico atteso sulla rete Dal momento che la stima del traffico atteso sulla rete in situazioni di limite di capacità è un fattore estremamente critico per la determinazione del costo opportunità sono stati utilizzati due approcci differenti, che hanno portato a risultati comparabili. 71

72 Determinazione del traffico atteso sulla rete Primo metodo Si è determinato inizialmente il numero di utenti che usufruiscono del servizio. Considerando la Delibera 541/08/CONS dell Autorità per le Garanzie nelle Comunicazioni e l avvio nel 2007 da parte della Commissione europea dell'iter finalizzato al ritiro della Direttiva GSM del 1987, che disponeva, per le bande a 900 MHz (esclusa la banda ex TACS) ed a 1800 MHz, l'utilizzo esclusivo della tecnologia GSM, è possibile ipotizzare che nei prossimi anni la si assisterà ad una progressiva migrazione degli utenti dal GSM all UMTS. I dati utilizzati all interno dell analisi riflettono la situazione odierna e sono stati ricavati come segue: - Tim 2009, First Quarter Financial Results - Tre Italia 2009, Corporate portal - Vodafone Italia Utenti totali dal Corporate Portal, utenti UMTS stimati sulla base del rapporto ricavato per Tim - Wind Utenti totali dal JP Morgan Global High Yield &Leveraged Finance Conference, utenti UMTS stimati sulla base del rapporto ricavato per Tim Vodafone IT 5,6 Milioni Tim 7,4 Milioni Tre 8,4 Milioni Wind 2,6 Milioni N Totale Stimato Utenti UMTS in Italia 24 Milioni Si ipotizza che solamente il 70% del traffico generato da questi utenti sia in aree ad alta densità. Il passo successivo riguarda la stima del traffico medio generato da ciascun utente. Per effettuare questa valutazione, in assenza di dati diretti ricavabili dagli operatori di rete, si ipotizza che per la fase 1 l utente, durante un ora di picco, scarichi 10 Mbits ad una velocità di 384 kbits/s, 2 Mbits ad una velocità di 144 kbits/s 17. Prendendo come riferimento il rapporto tra il numero di utenti totali sulla rete (16 Milioni) e i secondi di traffico generati (24 Miliardi in un anno) per Wind si ricava che mediamente un utente rimane al telefono 240 secondi al giorno, nell ipotesi che non ci sia variabilità significativa tra i giorni feriali e festivi. Se si ipotizza che un terzo di queste 17 Adattamento da Umts World,

73 chiamate cadano in ore di picco, si ricava che un utente medio utilizza il telefono per effettuare una chiamata da 80 secondi in momenti di picco. Ipotizziamo inoltre che il 20% dei dati debba essere ritrasmesso a causa delle condizioni della rete, introducendo un fattore di correzione di 1,2 sui dati ricavati. Le assunzioni sul traffico medio sono ricavate da Umts World, 2004, con un lieve adattamento alla realtà italiana. Per quanto riguarda la Fase 2, si ipotizza che in un ora di picco un utente scarichi 40 Mbit ad alta banda, 10 Mbit a bassa banda ed effettui una chiamata da 80 secondi. Nella Fase 3 si ipotizza quindi che in un ora di picco un utente scarichi 60 Mbit ad alta banda, 10 Mbit a bassa banda ed effettui una chiamata da 80 secondi 18. La tabella seguente riepiloga le assunzioni effettuate. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Traffico dati ad alta banda (Mbit) in un'ora di picco Traffico dati a bassa banda (Mbit) in un'ora di picco Traffico dati dovuto alla voce (s) in un'ora di picco Occupazione traffico voce (Mbit/s) Ritrasmissioni Banda media per utente (Mbit/s) Capacità richiesta Determinazione del traffico atteso sulla rete Secondo metodo Il secondo metodo si basa sulle stime di traffico, crescita e sviluppo del servizio UMTS sviluppate da Assinform e Cisco Systems. Si ipotizza che la Fase 1 raggiunga la maturità nell anno 2009, la Fase 2 nel 2010 e la Fase 3 nel Applicazione di tassi di crescita stimati elaborando dati di mercato Gartner (2008) e Sirmi (2008) 73

74 Si ipotizza inoltre che il 90% del traffico sia generato in giorni lavorativi, che il 70% di quest ultimo sia in aree ad alta densità e che il 10% del traffico sia generato in un ora di punta, ottenendo una stima della capacità richiesta alla rete. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Capacità richiesta (Gbit/s) valori: Si effettua quindi una media tra i valori ottenuti con i due metodi, ricavando i seguenti Fase 1 Fase 2 Fase 3 Capacità richiesta (Gbit/s) 45,5 145, Determinazione del costo-opportunità netto Le tabelle seguenti mostrano il modello di calcolo utilizzato per ricavare il costo opportunità marginale dello spettro adibito al servizio UMTS in Italia. La Configurazione 1 rappresenta la situazione iniziale, in cui ciascun operatore ha a 74

75 disposizione tre canali fisici complessivi. Nella Configurazione 2 si rende disponibile per un operatore un canale aggiuntivo, con ampiezza di banda pari all unità marginale di spettro. Secondo l assegnazione attuale lo spettro disponibile per il servizio umts è riepilogato come segue (da notare che si ipotizza che esista una suddivisione uniforme dello spettro tra i quattro operatori esistenti Tim, Vodafone, Wind e H3G - anche se questa situazione non riflette l effettiva situazione di mercato, particolarmente in seguito alla rassegnazione delle frequenze inizialmente aggiudicate a IPSE, avvenuta il 9 giugno 2009). Frequenza centrale Banda totale disponibile Banda disponibile per operatore e MHz 120 MHz 30 MHz La tabella seguente riepiloga la variazione di canali tra le due configurazioni oggetto di confronto: Configurazione 1 Configurazione 2 Banda per canale (MHz) N Layer 4 4 N Settori per nodo 3 4 Unità elementare di banda (MHz) N Unità elementari per settore (canali) 1 1 Nei sistemi Cdma l interferenza, la qualità del servizio prevista e la qualità accettata determinano la capacità del sistema. Il link budget è utilizzato per calcolare la massima perdita sul percorso radio e la massima copertura di una cella e include un margine per l interferenza. Per questo, all aumentare del livello di carico la copertura si riduce, creando di fatto una correlazione tra la copertura e la capacità di una cella. I possibili rate offerti agli utenti variano da 15 Kbit/s (SF =256) a 960 kbit/s (SF = 4) 75

76 Slot Format Channel Bit Rate Channel Symbol #i (kbps) Rate (ksps) SF Ndata Se si stima che la capacità della cella sia 900kbit/s 19, ognuna può essere dimensionata per circa 129 utenti. Dovendo soddisfare una capacità aggregata pari a 45,5 Gbit/s e considerando come capacità della cella 0,9 Mbit/s, ricaviamo che per soddisfare la domanda nella situazione in cui l operatore ha a disposizione tre canali da 10MHz è necessario posizionare almeno 6778 nodi, mentre nel caso in cui questo abbia a disposizione un canale aggiuntivo da 10 MHz il numero di nodi si riduce a Dal momento che il numero di nodi calcolato non tiene in considerazione le problematiche esistenti su un territorio reale, si applica un coefficiente di 1.3 tra i nodi ricavati dalla valutazione teorica e quelli effettivamente necessari, raggiungendo così 8811 nodi per la configurazione 1 e 6608 nodi per la configurazione 2. Il tasso utilizzato per tenere in considerazione il costo-opportunità del capitale è ricavato secondo il modello WACC, Weighted Average Cost of Capital, utilizzando parametri tipici del mercato delle telecomunicazioni, ricavati dall analisi delle performance di borsa e di bilancio dei principali operatori europei. Tasso di interesse privo di rischio 0,05 % presa a debito 0,5 Beta 1 Aliquota di tassazione 0,33 Premio di rischio sul debito 0,03 Premio di rischio sul capitale 0,07 Wacc 0,0868 Tenendo in considerazione la delibera numero 3/06 Cons. AGCOM che determina il costo del capitale per gli operatori pari al 12,4%, si è effettuata una media tra i valori, ottenendo un WACC medio pari al 10,54%, che sarà utilizzato nell analisi. 76

77 La rete di accesso, schematizzata nella figura seguente, è costituita dall UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) ed è composta da elementi chiamati Node B e da RNC(Radio Network Controller). Il nostro interesse si rivolge verso la valutazione degli elementi Node B e RNC e delle interconnessioni tra di essi, in quanto il valore utile per la valutazione del differenziale di costo tra le due configurazioni di rete emerge unicamente da questi elementi. Il Node B è l elemento che dialoga concretamente con il terminale mobile sfruttando l interfaccia radio ed è collegato all RNC attraverso l interfaccia Iub. Questo esegue le seguenti operazioni al fine di fornire copertura radio e servizi in un area: - Modulazione/demodulazione; - Utilizzo dei codici (assegnati dall RNC); - Misure di qualità del canale radio; - Controllo di potenza ; - Diversità di ricezione/trasmissione (presenza di due antenne). Il Radio Network Controller (RNC) è un elemento di rete intelligente a cui sono attestati più node B che provvede a instradare il traffico verso gli MSC o gli SGSN a seconda del servizio. Svolge le seguenti funzioni: - Gestione della chiamata; 19 Air Interference Cell Capacity of WCDMA Systems, Qualcomm. 77

78 - Controllo del carico; - Accettazione di nuove chiamate; - Gestione dei codici; - Procedure di Handover. Il costo annuale per ogni impianto è riassunto nella tabella seguente, mentre i valori di investimento da cui deriva, ricavati ricostruendo le caratteristiche di un impianto medio, sono riepilogate in Allegato I. La differenza di costo tra le due configurazione è determinata dal fatto che nella Configurazione 2 il numero di settori installati per ogni nodo è inferiore. Configurazione 1 Configurazione 2 Costi di impianto Se si moltiplica il costo di impianto per il numero di nodi necessari per soddisfare la domanda sull area considerata si ottengono i costi seguenti, che portano ad un costo-opportunità marginale per lo spettro pari a 4,3 M. Configurazione 1 Configurazione 2 N Nodi necessari in zone ad alta densità Costo annuo complessivo per l'operatore 99,923, ,151, Differenziale di costo per la variazione di un'unità elementare di banda 41,771, Differenziale di costo per 1 MHz 4,177, FASE 2 - Valutazione del costo opportunità marginale per il servizio UMTS/HSDPA Per la valutazione di Fase 2 si mantengono inalterate le assunzioni su area di applicazione, unità di frequenza marginale e numero di utenti, mentre varia il tipo di servizio richiesto e la capacità della singola cella. Si assume inoltre che gli investimenti per l infrastruttura di accesso siano analoghi a quelli utilizzati per il servizio Umts Release 99. HSDPA utilizza una potenza di trasmissione costante con fast link adaptation, con modulazione e codice variabili per tenere conto delle differenti condizioni di propagazione del segnale, quindi la banda di picco raggiungibile da un terminale è funzione della sua posizione (distanza dall antenna) e delle condizioni di propagazione. 78

79 Questa modalità operativa è significativamente differente da quella utilizzata dall UMTS Release 99, dove la potenza di trasmissione è adattata in modo tale da raggiungere un rapporto segnale/rumore predefinito. Per questo motivo e per il fatto che la tecnologia HSDPA spesso condivide lo stesso carrier dell umts Release 99 è estremamente difficile valutare in modo analitico la capacità di una cella HSDPA, mentre risultano consistenti i valori ricavati tramite simulazione. Si utilizza un modello presentato da Qualcomm (Air Interference Cell Capacity of WCDMA Systems, 2007) che prevede tre scenari con differenti mix di utenti ed effettuando una media dei risultati ricavati si ottiene come una capacità media di una cella HSDPA nel caso in cui il carrier non sia condiviso è di 1,97 Mbit/s. Utilizzeremo come dato di capacità questo risultato, pur essendo consapevoli che un eventuale condivisione di carrier può determinare una riduzione della capacità anche significativa (600Kbit/s se HSDPA utilizza il 30% della potenza disponibile sul nodo, 1500Kbit/s se utilizza l 80% della potenza disponibile); non consideriamo gli effetti dovuti al soft handover. Dovendo soddisfare una capacità aggregata pari a 145,5 Gbit/s e considerando come capacità del settore 1,97 Mbit/s, ricaviamo che per soddisfare la domanda nella situazione in cui l operatore ha a disposizione tre canali da 10MHz è necessario posizionare almeno nodi, mentre nel caso in cui questo abbia a disposizione un canale aggiuntivo da 10 MHz il numero di nodi si riduce a Se si moltiplica il costo di impianto per il numero di nodi necessari per soddisfare la domanda sull area considerata si ottengono i costi seguenti, che portano ad un costoopportunità marginale per lo spettro pari a 11,3 M. Configurazione 1 Configurazione 2 N Nodi necessari in zone ad alta densità Costo annuo complessivo per l'operatore 146,725, ,388, Differenziale di costo per la variazione di un'unità elementare di 61,336, banda Differenziale di costo per 1 MHz 6,133,

80 3.8.4 FASE 3 - Valutazione del costo opportunità marginale per il servizio HSUPA/HSDPA Come già segnalato per la Fase 2, anche per la Fase 3 si mantengono inalterate le assunzioni su area di applicazione, unità di frequenza marginale, numero di utenti e costi di infrastruttura. Si considera che la rete sia interamente costituita da canali HSUPA (High Speed Uplink Packet Access)/ HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), situazione che rispetto alla Fase 2 mantiene inalterata la capacità in download ma aumenta in modo significativo la capacità in upload. Si ipotizza che questo incremento di capacità dell uplink unitamente all evoluzione del mercato determini un incremento della banda richiesta dagli utenti. Dovendo soddisfare una capacità aggregata pari a 264 Gbit/s e considerando come capacità del settore 1,97 Mbit/s, ricaviamo che per soddisfare la domanda nella situazione in cui l operatore ha a disposizione tre canali da 10MHz è necessario posizionare almeno nodi, mentre nel caso in cui questo abbia a disposizione un canale aggiuntivo da 10 MHz il numero di nodi si riduce a Se si moltiplica il costo di impianto per il numero di nodi necessari per soddisfare la domanda sull area considerata si ottengono i costi seguenti, che portano ad un costoopportunità marginale per lo spettro pari a 15,8 M. Configurazione 1 Configurazione 2 N Nodi necessari in zone ad alta densità Costo annuo complessivo per l'operatore 252,105, ,715, Differenziale di costo per la variazione di un'unità elementare di banda 105,389, Differenziale di costo per 1 MHz 10,538, CONSIDERAZIONI Se è vero che i risultati ottenuti con l applicazione del modello sono dipendenti da alcune assunzioni sulla penetrazione di mercato dei servizi e sul comportamento competitivo degli operatori, le valutazioni si prestano ad essere utilizzate come un input strutturato per le decisioni del regolatore italiano, che può in tal modo avere un termine di riferimento per valutare da un lato l evoluzione dell assetto normativo e di regolamentazione (evoluzione del 80

81 sistema tradizionale di allocazione e assegnazione delle frequenze) e dall altro per tarare gli importi pagati dagli operatori per l uso della risorsa scarsa frequenziale. Il modello può anche essere utilizzato come strumento per effettuare un confronto internazionale omogeneo sul valore delle varie porzioni di spettro ALLEGATO I - DETTAGLIO DEGLI INVESTIMENTI NECESSARI PER L IMPIANTO DI UN NODO TRASMISSIVO DVB-T Costo segmenti di distribuzione e diffusione di un nodo digitale terrestre Configurazione 1 Configurazione N Mux 7 5 N SFN Adapter 7 5 N NA+Remux 7 5 N Ricevitori GPS 7 5 N Modulatori COFDM +Trasmettitori 7 5 N medio Gap filler per trasmettitore 0,29 N Medio ripetitori per trasmettitore 0,5 Mux SFN Adapter NA+Remux Ricevitore GPS Modulatore COFDM +Trasmettitore 2000W Modulatore COFDM +Trasmettitore 5000W Hi power % trasmettitori Hi power 0,3 Ripetitore Gap Filler Antenna Numero antenne 1 Filtri 0 Cablaggio radio (al m) 100 Metri cablaggio 60 Logica di interconnessione Alimentazione

82 Costo allestimento in campo libero Individuazione sito Terreno (100 mq) acquisto (o affitto per 5 anni) Progetto traliccio Traliccio (60m) Fabbricato tecnico (shelter) Installazione traliccio (fondazioni+ montaggio, 10ggx 3 persone+ scavo trasporto+gru) Allacciamento elettrico Installazione apparati Autorizzazioni e licenze Costo rete di distribuzione % di celle collegate con satellite 0,4 % di celle collegate con ethernet licenziato 0,6 Costo satellite (affitto per 5 anni) Costo ponte fast ethernet (con licenze per 5 anni) ALLEGATO II - DETTAGLIO DEGLI INVESTIMENTI NECESSARI PER L IMPIANTO DI UN NODO TRASMISSIVO UMTS Costo logiche di un nodo 62,400 74,400 Configurazione 1 Configurazione 2 Chassis 4,500 4,500 N Schede per chassis 3 4 Scheda IDU 4,000 4,000 Scheda ODU 4,000 4,000 Antenna 3,000 3,000 Numero antenne 3 4 Filtri 1,000 1,200 Cablaggio radio (al m) Metri cablaggio Logica di interconnessione 1,500 1,500 Alimentazione 5,000 5,000 RNC 45,000 45,000 Rapporto RNC/Node B

83 Costo allestimento in campo libero 102, ,280 Individuazione sito 1,500 1,500 Terreno (100 mq) acquisto (o affitto per 11 anni) 55,000 55,000 Progetto traliccio 3,000 3,000 Traliccio (30m) 14,000 14,000 Fabbricato tecnico (shelter) 5,000 5,000 Installazione traliccio (fondazioni+ montaggio, 10ggx 3 persone+ scavo+ 11,780 11,780 trasporto+gru) Allacciamento elettrico 3,000 3,000 Installazione apparati 3,000 3,000 Autorizzazioni e licenze 6,000 6,000 Costo allestimento su edificio 95,800 95,800 Individuazione sito 1,500 1,500 Acquisto spazio (o affitto per 11 anni) 80,000 80,000 Traliccio (5m) 2,500 2,500 Installazione traliccio (montaggio+ ancoraggio, 4ggx2 persone) 2,000 2,000 Allacciamento elettrico Installazione apparati 3,000 3,000 Autorizzazioni e licenze 6,000 6,000 83

84 Costo interconnessione con la dorsale 149, ,964 % di celle collegate in fibra % di celle collegare in hdsl % di celle collegate con wimax 0 0 % di celle collegate con hiperlan 0 0 % di celle collegate con ethernet licenziato 0 0 % di celle collegate con pdh (8x2?) % di celle collegate con stm Costo fibra (affitto per 11 anni) 224, ,400 Costo HDSL 2Mbit/s (affitto per 11 anni) 108, ,240 Costo Wimax dorsale 10,000 10,000 Costo Hiperlan dorsale 5,000 5,000 Costo ponte fast ethernet (con licenze per 11 anni) 70,000 70,000 Costo ponte pdh (con licenze per 11 anni) 70,000 70,000 Costo ponte stm-1 (con licenze per 11 anni) 180, ,000 84

85 4 SEZIONE 4 White spaces e dividendo esterno nello scenario italiano 4.1 PREMESSA Questa relazione tecnica ha l obiettivo di illustrare i risultati delle attività del gruppo di lavoro del Dipartimento di Informatica e Sistemistica nell ambito del Work Package 3.1 del Progetto ISBUL. L attività del gruppo di lavoro si è concentrata sulla valutazione simulativa del dividendo digitale che il nostro Paese può ricavare dal processo di transizione dalla tecnologia analogica alla tecnologia digitale nelle trasmissioni televisive terrestri. Per dividendo digitale si intende la porzione di spettro resa disponibile dalla digitalizzazione delle trasmissioni radio-televisive. Come è noto, la radio e la televisione analogica utilizzano attualmente le frequenze della Banda UHF e VHF. Queste frequenze, ed in particolare quelle della banda 800MHz, sono particolarmente preziose per i servizi a banda larga in mobilità in quanto garantiscono il compromesso ottimale tra dimensione delle antenne dei ricevitori e dimensione delle aree di servizio. Il passaggio alla codifica digitale delle trasmissioni televisive terrestri (c.d. switch-off analogico) rende possibile una razionalizzazione nell uso di questa preziosa risorsa spettrale. La tecnologia digitale consente, infatti, di trasmettere più programmi sulla stessa frequenza (due in alta definizione e cinque in definizione standard) e di utilizzare una sola frequenza (SFN network), in luogo delle tre necessarie per trasmettere un programma analogico, per realizzare una rete (multiplex) su tutto il territorio nazionale. Siamo quindi in presenza di un incremento da sei a quindici volte dell efficienza spettrale (programmi per frequenza). Questa capacità trasmissiva incrementale può essere destinata ad un aumento (in quantità e qualità) dell offerta di programmi televisivi ma anche all introduzione di nuovi servizi IMT (Wimax, LTE) in una banda che, come abbiamo detto, possiede caratteristiche propagative ottimali e quasi uniche. Queste considerazioni sono state alla base della decisione di destinare, a partire dal 2015 e su base co-primaria, i canali dal 61 al 69 della banda UHF ai servizi che appartengono alla famiglia IMT (WiMax e LTE tra gli altri) che la ITU (International Telecommunication Union) ha assunto nella sua Conferenza Mondiale del 2007 (WRC-07). Nei suoi Atti Finali, la 85

86 WRC-07 ha lasciato ai singoli Stati ed al Coordinamento internazionale la decisione sull uso di queste frequenze per servizi diversi da quelli televisivi nel periodo transitorio Questo tema è ovviamente presente anche nell agenda della Conferenza Mondiale delle Radio-Comunicazioni che si terrà nel 2012 (WRC-2012). L Unione Europea ha già deciso di sostenere una posizione comune favorevole ad un uso armonizzato della banda MHz per il servizio radiodiffusione (GE-06) e per i servizi IMT, con l ovvia condizione del rispetto dei necessari rapporti di protezione tra i diversi servizi che utilizzano la banda in condivisione. Più recentemente, la Commissione Europea ha predisposto la Raccomandazione C(2009) 8287/2 Facilitating the release of the digital dividend in the European Union. La Raccomandazione (preceduta e supportata da significativi Atti di Indirizzo del Parlamento Europeo e dai pareri tecnici del Radio Spectrum Policy Group) è motivata dai vantaggi generati, per i cittadini dell Unione, dalla maggior efficienza nell uso dello spettro. Premessa indispensabile per l uso più efficiente della banda 800 MHz è, per la Commissione, l anticipazione del passaggio allo scenario tutto digitale, scenario nel quale ci si attende almeno tre ricadute positive sul mercato, tre dividendi per gli utenti e per le imprese: L aumento del numero e della qualità dei programmi offerti ai propri utenti; La disponibilità di nuovi canali per consentire l ingresso sul mercato di nuovi broadcaster con beneficio per la concorrenza e per il pluralismo (dividendo interno al mondo televisivo); La liberazione risorse frequenziali per le telecomunicazioni mobili nella banda televisiva intorno agli 800MHz (dividendo esterno). In particolare la Raccomandazione C(2009) 8287/2 specifica: Member States should support regulatory efforts towards harmonised conditions of use in the Community of the MHz sub-band for electronic communications services other than, and in addition to, broadcasting services, and refrain from any action that might hinder or impede the deployment of such communications services in that sub-band. Dunque, la posizione della Commissione e dei suoi organi tecnici è chiara. Dal 2012 la banda 800 MHz dovrà essere utilizzata in modo co-primario dai servizi di broadcasting e IMT, i due servizi dovranno convivere in modo armonico e non dovranno essere assunte iniziative atte ad impedire o limitare il dispiegamento di tali servizi di comunicazione nella predetta sotto-banda. 86

87 La questione centrale, a questo punto, è quella di definire il processo che dovrà condurre al coordinamento di utilizzazioni diverse della banda UHF nei vari Paesi dell Unione. Un processo che non potrà non essere specifico per ogni stato membro. Siamo dunque di fronte alla necessità di progettare una nuova transizione mentre sono ancora in corso le procedure per lo spegnimento dell analogico e la convergenza al Piano Digitale (Radio-Televisivo) di Ginevra Gli Stati Uniti e la Germania (facilitati dalla grande diffusione della TV via cavo) hanno già completato il processo di spegnimento della TV analogica. Gli Stati Uniti hanno anche già allocato, con un asta competitiva, alcuni dei canali liberati. AT&T ha pagato 3 canali (su tutto il territorio degli Stati Uniti) 4.75 miliardi di dollari. In Germania, l assegnazione della banda 800 alle telecomunicazioni mobili è uno dei cardini del Piano Banda Larga. Anche la Francia, la Svizzera, i Paesi Scandinavi ed il Regno Unito prevedono l assegnazione della banda 800MHz alle telecomunicazioni mobili alla fine del processo di switch-over. Nel complesso, tutti i principali paesi europei, gli Stati Uniti e il Giappone dedicheranno almeno 72MHz di banda al dividendo digitale esterno. In Italia la situazione è molto più complessa. In uno spettro televisivo totalmente e capillarmente occupato trovano spazio più di 700 reti locali e 21 reti nazionali (analogiche e digitali). A questa difficile eredità dello scenario analogico e alla necessità di garantire gli investimenti e la continuità alle emittenti attualmente in servizio si somma l esigenza, sottolineata dalla Commissione Europea con l apertura di una procedura di infrazione, di evitare una trasposizione uno-a-uno dell attuale configurazione delle reti e di garantire l accesso alla risorsa spettrale da parte di nuovi operatori. Dunque, nel nostro Paese l obiettivo è quello di assicurare un eredità digitale alle centinaia di emittenti esistenti e, al tempo stesso, un dividendo interno a nuovi entranti nel mercato 87

88 televisivo. Tutto questo deve essere realizzato utilizzando le 56 frequenze della banda televisiva (incluse le 9 frequenze destinate al dividendo digitale esterno). L AGCOM, con la Delibera 181/CONS del 2009, ha previsto la realizzazione di 21 multiplex realizzati in modalità prevalentemente SFN (macro-aree) e ad estensione nazionale. Cinque di questi multiplex saranno assegnati a nuovi operatori con una gara e costituiranno il dividendo digitale interno italiano. Nel successivo Capitolo 2 illustreremo le caratteristiche tecniche generali delle reti SFN previste dalla Delibera 181/CONS, delle problematiche inerenti alla realizzazione di multiplex ad estensione regionale e sub-regionale destinati all emittenza locale e delle modalità di coordinamento internazionale dei multiplex nazionali e locali. Come vedremo, l uso intensivo dello spettro garantito dalle reti SFN (coordinate a livello internazionale) può consentire al nostro Paese di corrispondere alle esigenze di continuità operativa di decine di operatori nazionali e di centinaia di operatori locali ma, al tempo stesso, rende estremamente difficile il contestuale utilizzo della risorsa spettrale per servizi diversi dal broadcasting televisivo. Insomma, l Italia, pur essendosi data un calendario di switch-off che le consentirà di concludere lo spegnimento dell analogico per il 2012, potrebbe avere significative difficoltà a seguire la Raccomandazione della Commissione Europea per quel che concerne l uso armonizzato della banda 800MHz come dividendo digitale esterno. Queste significative difficoltà non implicano, tuttavia, la scelta definitiva di non utilizzare la banda 800MHz per le telecomunicazioni mobili. È infatti inevitabile che, a lunga scadenza, l Italia debba armonizzare l uso di questa banda con gli altri Paesi europei. Dunque, è necessario immaginare un nuovo processo di transizione, una roadmap, che consenta di allocare la banda 800 MHz ai servizi IMT senza penalizzare gli investimenti e la continuità aziendale dei broadcaster assegnatari di frequenze nella banda 800Mhz. Come detto, non si tratta di una doppia transizione solo italiana. Anche la Francia, ad esempio, ha dovuto pianificare un processo in due fasi: nella prima fase verranno assegnate agli operatori frequenze compatibili con le assegnazioni del Piano di Ginevra del 2006 mentre nella seconda fase verrà liberata la banda 800 MHz con una limitata ri-assegnazione agli operatori. La situazione italiana è però molto diversa da quella francese. In Francia esiste essenzialmente un solo operatore di rete (TDF) e, dunque, il processo di ri-assegnazione e 88

89 cambio delle frequenze operative coinvolge una sola organizzazione ed è quindi più semplice. In Italia, invece, ogni broadcaster, dal più grande operatore nazionale alla emittente locale con un solo impianto, gestisce la propria rete (integrazione verticale). Questo assetto ha reso e renderà estremamente complesso il passaggio analogico-digitale. La scelta di realizzare reti SFN, se coerentemente applicata, semplificherà, invece, un eventuale processo di liberazione della banda 800 MHz. Infatti, al termine della prima fase dello switch-off, in ogni bacino di servizio una frequenza sarà utilizzata da un solo operatore e quindi sarà possibile decomporre il processo di ri-assegnazione in maniera flessibile ed efficiente. Resta, tuttavia, il problema di liberare una porzione di spettro senza disporre, come l amministrazione francese, di frequenze alternative per ospitare i broadcaster che saranno costretti a lasciare le frequenze in banda 800 MHz. Nel nostro Paese si dovrà progettare un processo nel quale lo spettro possa essere condiviso tra broadcaster ed operatori TLC in modo tecnicamente ed economicamente accettabile. Tutto dipende dunque dalle condizioni tecniche ed economiche di convivenza tra il broadcasting radio-televisivo ed i servizi IMT. Per condizioni tecniche intendiamo la possibilità di condividere la stessa frequenza, con una qualità del servizio accettabile, da parte di due servizi diversi. Si tratta di un tema di grande interesse internazionale che negli Stati Uniti e nel Regno Unito ha sollevato un diffuso dibattito sulla riusabilità dei cosiddetti white spaces da parte di apparati in grado di sondare lo spettro (cognitive radio) alla ricerca di canali non utilizzati (i cosiddetti white space devices o WSD). Le condizioni economiche sono invece legate ai diversi costi di roll out delle reti di broadcasting e della famiglia IMT, ai diversi scenari di fruizione dei servizi veicolati da queste reti e all intersecarsi di strategie di business diverse e delle quali sarà fondamentale valutare la compatibilità. L attività del gruppo di lavoro dell Università di Roma La Sapienza nell ambito del WP3.1 si è dunque focalizzata sulla valutazione delle condizioni tecniche di convivenza, in alcuni scenari significativi, tra i servizi diffusivi televisivi in tecnica digitale e i servizi wireless della famiglia IMT. I risultati di questa analisi verranno illustrati nel capitolo 3. 89

90 4.2 COORDINAMENTO INTERNAZIONALE E RETI SFN Accordo di Ginevra 2006 La Conferenza Regionale delle Radiocomunicazioni (RRC-06), si è tenuta a Ginevra dal 15 maggio al 16 giugno 2006 sotto l egida dell ITU ed ha avuto come oggetto la pianificazione del servizio di radiodiffusione terrestre sia televisiva (DVB-T) che radiofonica (T-DAB) in tecnica digitale. La Conferenza di Ginevra ha approvato un piano di assegnazione delle risorse frequenziali basato su allotment (aree in cui è consentito l utilizzo di una specifica frequenza e nelle quali il servizio è protetto dall interferenza proveniente da paesi confinanti) e su assignment (impianti trasmittenti di cui sono definiti e conosciuti la frequenza di esercizio e i parametri tecnici e che, con quelle caratteristiche, possono essere attivati e registrati nel Master Register dell ITU con una minima attività di coordinamento). Allotment e assignment forniscono dunque, rispettivamente, diritti di protezione e diritti d uso su specifiche frequenze. Durante la fase preparatoria e durante la Conferenza stessa, furono creati tavoli negoziali bilaterali o multilaterali con le nazioni confinanti e, nell ambito di dette negoziazioni furono identificate delle aree rilevanti, corrispondenti agli insiemi di allotment di amministrazioni confinanti giudicati come potenzialmente interferenti dalle amministrazioni interessate. Successivamente, applicando il principio base dell ITU dell equa ripartizione delle risorse radioelettriche tra le nazioni coinvolte, i canali televisivi sia in banda III VHF che in banda IV e V UHF furono ripartiti, al fine di evitare interferenze reciproche, tra gli allotment appartenenti alle aree rilevanti. I risultati di tali negoziazioni furono formalizzati e siglati dalle amministrazioni nella forma di accordi di principio (principles agreement) e la loro formalizzazione definitiva fu rimandata ad una successiva fase di coordinamento bilaterale tra le varie amministrazioni (a titolo di esempio nella successiva figura viene riportata l area rilevante concordata tra l amministrazione italiana e le amministrazioni delle nazioni adriatiche in sede di Conferenza di Ginevra del 2006). 90

91 4.2.2 Reti SFN ad estensione nazionale Le reti digitali terrestri possono essere realizzate in due diverse modalità. Una modalità simile a quella adottata per le reti analogiche e che prevede l uso di frequenze diverse in bacini contigui (modalità MFN multi-frequency network) ed una modalità che, sfruttando pienamente le potenzialità della tecnologia OFDM, realizza reti nelle quali gruppi di bacini contigui (macro-aree) o anche tutti i bacini di servizio nazionali utilizzano la stessa frequenza (modalità SFN single-frequency network). La modalità MFN semplifica la transizione in contesti ordinati in quanto consente la trasformazione delle reti analogiche in reti digitali senza modificare lo schema di ri-uso delle frequenze. Il Piano definito dalla Conferenza di Ginevra è un Piano MFN e tutti i paesi europei, con l eccezione dell Italia, hanno pianificato le proprie reti televisive in modalità MFN. Ad esempio la Francia ha deciso di utilizzare 40 delle 49 frequenze della banda UHF (le frequenze della banda 800 MHz saranno destinate al dividendo esterno e quelle della banda VHF alla radio digitale) per realizzare 13 multiplex digitali (due dei quali destinati alle 91

92 trasmissioni mobili in tecnica DVB-H). Come si vede, dunque, la Francia utilizzerà, mediamente, tre frequenze per multiplex in uno schema MFN. Una rete MFN, come le reti analogiche, ha una minor efficienza spettrale (numero di programmi per frequenza) e tende ad utilizzare lo spettro in modo meno intensivo delle reti SFN. A titolo di esempio si veda lo schema di riuso immaginato dalla Francia (tratto dalla presentazione di Francois Rancy al Seminario Bordoni del 14 gennaio 2008) per il canale 39 della banda UHF. Come si vede, il canale è utilizzato in aree di servizio (allotment) separate e non è utilizzato in vaste zone del territorio francese. Il Regno Unito ha pianificato soltanto 6 multiplex digitali (tre dedicati al servizio pubblico e tre destinati al servizio commerciale). Questo significa che la struttura MFN delle reti inglesi lascerà ancora più spazio inutilizzato rispetto a quelle francesi. A conferma di questa circostanza, si veda la figura seguente, tratta dallo studio sul riuso dello spettro predisposto dalla National Wireless Grid per l OFCOM, che mostra una ipotesi di copertura dei tre multiplex di servizio pubblico nel Regno Unito (dai 71 siti principali). Ciascun colore rappresenta una diversa tripla di frequenze utilizzata dai tre multiplex di servizio pubblico. Come si vede, ogni frequenza della stessa tripla (stesso colore) è ripetuta in aree a 92

93 significativa distanza mentre la copertura del multiplex è assicurata dall insieme delle frequenze utilizzate. Le tre frequenze associate al colore rosso sono utilizzate, ad esempio, solo in un bacino di servizio e possono essere riutilizzate ovunque purché ad opportuna distanza e con opportuni accorgimenti tecnici. In conclusione, la modalità di pianificazione MFN è preferibile ai fini di una semplice transizione nei Paesi in cui l uso dello spettro sia già ordinato ma assicura una minore capacità trasmissiva per il broadcasting e pone il problema della destinazione del cosiddetto interleaved spectrum (ovvero la porzione di spettro non utilizzata in vaste zone del Paese). L Italia ha caratteristiche totalmente diverse da quelle degli altri Paesi Europei. L uso dello spettro è stato finora caotico e disordinato. Le reti analogiche sono nate e si sono sviluppate al di fuori di qualsiasi regola di pianificazione e di buon uso dello spettro. Decenni di evoluzione non pianificata hanno creato un equilibrio interferenziale che consente la legittima attività di centinaia di emittenti locali e decine di emittenti nazionali. Si tratta di un equilibrio interferenziale che (a) non consente l accesso allo spettro a nuovi operatori, (b) genera un enorme interferenza sui paesi confinanti e (c) viene pagato da molti operatori (soprattutto locali) in termini di bassa qualità del servizio. Nessuna di queste tre condizioni potrà essere accettata nello scenario digitale. La Commissione Europea ha infatti avviato una procedura di infrazione verso l Italia, imponendo al nostro Paese di aprire l accesso allo spettro a nuovi operatori; procedura di infrazione alla 93

94 quale l AGCOM ha risposto con la delibera 181/CONS del 2009 della quale parleremo tra breve. Per quello che riguarda l interferenza verso i Paesi confinanti (punto b) ricordiamo che l Italia ha sottoscritto gli Atti Finali della Conferenza di Ginevra 2006 e che nessuno dei Paesi confinanti è più disposto ad accettare che il principio dell accesso equo alle risorse spettrali sia apertamente violato dall Italia. Infine, la bassa qualità del servizio, accettabile nelle trasmissioni analogiche che consentivano uno smooth downgrading della qualità di ricezione, non lo sarà più in digitale dove interferenza e scarsa copertura provocano un brusco passaggio alla totale assenza di servizio. E dunque l Italia è stata costretta ad immaginare una modalità di pianificazione dello spettro televisivo che le consentisse di: rendere disponibili risorse aggiuntive per almeno 5 nuovi entranti nel mercato televisivo rispettare i vincoli di coordinamento internazionale; massimizzare la capacità trasmissiva disponibile per consentire una continuità di servizio a centinaia di emittenti nazionali e locali. Queste esigenze hanno suggerito all AGCOM di pianificare i futuri multiplex digitali utilizzando il modello SFN e non più il modello MFN che aveva ispirato, anche in Italia, i Piani delle Frequenze del 1998 (analogico) e del 2003 (digitale). Infatti, la pianificazione SFN (per macro-aree pluri-provinciali o aree tecniche) è l unica che possa consentire, allo stesso tempo, la massimizzazione del numero di multiplex realizzabili e il rispetto del principio dell accesso equo allo spettro alla base della convivenza europea. Nella figura che segue è rappresentato il significativo miglioramento, in termini di efficienza spettrale, garantito dalle reti pianificate in modalità SFN. Da due multiplex MFN che utilizzano 8 frequenze, trasportano 10 programmi e lasciano, ovviamente, ampie zone di riusabilità si passa ad un utilizzo intensivo dello spettro, una frequenza per operatore, 6 multiplex realizzabili con 6 delle frequenze utilizzate dai multiplex MFN, 30 programmi (o 12 in alta definizione) e 2 frequenze liberate (per il dividendo esterno) in tutta l area tecnica. 94

95 The SFN solution MFN-DIGITAL NETWORK: Different channels in neighboring areas 8 channels 2 multiplex 10 programs ( 4 in HD) Re-usable in white spaces only MFN Network 1 MFN Network 2 DIGITAL SFN NETWORK: 1 channel per operator same channel in large areas (Sardinia) 6 digital multiplexes (2 unused) 30 programs (or 12 in HD) Mux 1 Mux 2 Mux 3 Mux 4 Mux 5 Mux 6 1 Bisogna anche aggiungere che, come abbiamo osservato, la pianificazione MFN è preferibile in uno scenario analogico ordinato in quanto consente una più agevole transizione. In Italia, invece, siamo in presenza di uno scenario certamente disordinato ed inefficiente (il c.d. far west delle frequenze ) e di fronte al pericolo di una transizione 1-a-1 (ogni impianto analogico si trasforma in un impianto digitale) che finisse con il conservare anche in digitale tutti gli squilibri e le barriere all ingresso dello scenario analogico. E dunque, con la delibera 181/CONS del 2009 l AGCOM ha decisamente optato per la pianificazione in modalità SFN e previsto la realizzazione di 21 multiplex nazionali che utilizzino, ciascuno, una sola frequenza su tutto il territorio nazionale. Nella delibera 181 l Autorità ha anche indicato che 5 dei 21 multiplex dovranno essere assegnati mediante una procedura di gara aperta e trasparente e che 3 di questi 5 multiplex dovranno essere assegnati a nuovi entranti nel mercato (rispondendo, in questo modo alla minaccia di apertura di una procedura di infrazione europea). Nella Delibera 181/CONS, l AGCOM ha anche specificato che, nel rispetto dei vincoli imposti dal coordinamento internazionale, dovrà essere massimamente garantita alle emittenti nazionali e locali la continuità del servizio e la protezione degli investimenti effettuati. 95

96 4.2.3 Coordinamento Internazionale Abbiamo detto nel precedente paragrafo che l AGCOM ha scelto, per il nostro Paese, uno schema di pianificazione SFN. Abbiamo anche sottolineato come sia indispensabile coordinare le reti SFN realizzabili nel nostro Paese secondo le procedure stabilite dalla Conferenza di Ginevra del In questo paragrafo vogliamo discutere la difficoltà tecnica di coordinare schemi di pianificazione e destinazioni d uso diverse. Infatti, come abbiamo visto, tutti i principali Paesi europei pianificheranno un minor numero di multiplex digitali in modalità MFN, dedicheranno l intera banda VHF alla radiofonia e almeno i 72 MHz della banda 800 MHz alle telecomunicazioni mobili mentre l Italia destinerà l intera banda UHF e la gran parte della banda VHF alla realizzazione di multiplex televisivi. Di conseguenza, i principali Paesi europei dovranno affrontare e risolvere il problema del riutilizzo delle frequenze inutilizzate nello schema MFN (interleaved spectrum) e dell attivazione di servizi non previsti dalla Conferenza di Ginevra e della convivenza di servizi di broadcasting e di telecomunicazioni mobili sia all interno dei confini nazionali che attraverso le frontiere. L Italia, al contrario, non avrà il problema del riutilizzo dello spettro in quanto lo schema SFN è estremamente efficiente e garantisce un altissima densità di trasmettitori che utilizzano la stessa frequenza, mentre avrà la necessità di utilizzare la stessa frequenza anche al di fuori degli allotment previsti dalla Conferenza di Ginevra (che immaginava anche per l Italia uno schema MFN) e, soprattutto, di utilizzare tutte le frequenze dello spettro nel rispetto del principio di accesso equo alle risorse spettrali. E dunque interesse comune rivedere (a soli tre anni dalla firma) le conclusioni della Conferenza di Ginevra e demandare al coordinamento bilaterale la definizione di nuove regole di coordinamento. L Italia non è (fortunatamete) sola a chiedere un interpretazione flessibile delle regole di Ginevra. Tutti gli altri Paesi europei hanno interesse a negoziare un coordinamento al di fuori di un rigido sistema di allotment che consenta l avvio coordinato ed armonico di nuovi servizi e nuove tecnologie. A tal fine, è in corso un intensa attività di coordinamento con i paesi confinanti, soprattutto Francia, Svizzera e Vaticano per l utilizzo e l incremento in maniera armonizzata e non interferenziale delle risorse spettrali usabili da ogni singolo paese. Tale attività è prevedibile 96

97 sarà da svolgere fino al completo switch-off del sistema televisivo analogico sia in Italia che nei paesi radio-elettricamente confinanti, con l intendimento di poter utilizzare tutto l insieme delle 56 frequenze disponibili in banda VHF e UHF. Come detto, l utilizzo dell intero spettro destinato alle trasmissioni radio-televisive richiede, per essere accettato dalle amministrazioni confinanti, un approccio rispettoso del principio dell accesso equo alle risorse frequenziali ( equitable access ). In particolare, la necessità di coordinare reti basate su tecnologie diverse nella stessa banda di frequenze ha condotto l Italia ad adottare una proposta di coordinamento internazionale asimmetrico, basata sul principio delle soglie sull interferenza cumulativa e originariamente formulata dall amministrazione svizzera. Lo schema di coordinamento asimmetrico è così strutturato: Nella banda VHF-III l Italia garantisce che la somma in potenza dei segnali emessi da impianti italiani operanti alla frequenza associata a ciascun allotment estero di GE06 sarà, in ogni punto di quell allotment, inferiore ad una soglia specifica per la radiofonia digitale e definita in fase di coordinamento bilaterale. L amministrazione estera garantisce il rispetto di un vincolo simmetrico per gli allotment DVB-T assegnati all Italia dalla Conferenza di Ginevra del Nella banda UHF (IV e V), con l eccezione dei canali (61-69) se l amministrazione estera ha deciso di utilizzare la banda 800 MHz per il digital dividend, le due amministrazioni concordano una partizione dei canali disponibili in due gruppi di uguale cardinalità (che verranno detti nel seguito canali o frequenze preferenziali). Operata la partizione, l Italia garantisce che la somma in potenza dei segnali emessi da impianti italiani operanti ad una qualsiasi frequenza preferenziale per l amministrazione estera sarà, in ogni punto dell area di coordinamento estera, inferiore ad una soglia specifica per il servizio DVB-T e definita in fase di coordinamento bilaterale. L amministrazione estera garantisce il rispetto di un vincolo simmetrico per tutte le frequenze preferenziali italiane. Nel caso in cui l amministrazione estera abbia deciso di utilizzare la banda 800 MHz per il digital dividend, l Italia garantisce che la somma in potenza dei segnali emessi da impianti italiani operanti a ciascuna frequenza di quella banda sarà, in ogni punto dell area rilevante in territorio estero, inferiore ad opportune soglie definite in fase di coordinamento bilaterale. Le soglie saranno diverse per la sotto-bande destinate all uplink e al downlink del servizio mobile. L amministrazione estera garantisce che gli impianti delle reti mobili rispetteranno 97

98 opportune soglie in ogni punto della porzione italiana dell area rilevante. Il metodo di coordinamento asimmetrico consente un totale disaccoppiamento dei processi di pianificazione nei due paesi radio-elettricamente confinanti. In particolare, la disponibilità della stessa frequenza in tutta l area rilevante e il metodo a soglie consentono all Italia e ai Paesi confinanti di pianificare servizi differenti (reti televisive, reti radiofoniche o reti mobili) in aree esposte all interferenza anche al di fuori degli schemi imposti dalla Conferenza di Ginevra. Inoltre, per l Italia sarà possibile utilizzare tutte le 48 frequenze della banda UHF e le 7 frequenze della banda VHF (si esclude il canale 12 interamente dedicato alla radiofonia) fermo restando che sulle frequenze preferenziali dell amministrazione estera le reti italiane non godranno di alcuna protezione. Questo schema di coordinamento è stato messo a punto e largamente condiviso negli incontri bilaterali che l amministrazione italiana ha avuto con la Francia e la Svizzera ed è coerente con gli accordi di principio sottoscritti alla Conferenza di Ginevra 2006 dall Italia con i paesi adriatici (Austria, Slovenia, Croazia, Montenegro, Albania e San Marino). In quegli accordi, infatti, i paesi che si affacciano sull Adriatico avevano concordato di dividere le 48 frequenze della banda UHF in due gruppi di 24 frequenze, uno preferenziale per l Italia e l altro preferenziale i paesi del gruppo Adriatico. 4.3 CONVIVENZA TRA BROADCASTING DIGITALE TERRESTRE E SERVIZI IMT LO SCENARIO Nel capitolo precedente abbiamo brevemente descritto i risultati della Conferenza di Ginevra 2006, le caratteristiche dei due principali schemi di pianificazione (MFN e SFN) e lo schema di coordinamento internazionale asimmetrico discusso nei tavoli di coordinamento. Si tratta di premesse indispensabili alla descrizione del lavoro tecnico oggetto di questo capitolo: la descrizione e l analisi di uno scenario di convivenza tra broadcasting digitale terrestre e servizi di telecomunicazioni mobili. La descrizione dello scenario di convivenza deve inevitabilmente iniziare con una valutazione della specificità italiana (così come determinata dall evoluzione storica e dalle recenti decisioni AGCOM). Come detto, la situazione italiana è unica in Europa. L Italia ha optato per la pianificazione SFN e, quindi, per una massimizzazione dell efficienza spettrale e per un 98

99 uso intensivo dello spettro. Inoltre, l Italia è forzata, dall altissimo numero di operatori locali e dalle garanzie di continuità aziendale che la delibera 181/CONS ha fornito a tutti gli operatori italiani legittimamente operanti, ad utilizzare anche le frequenze della banda 800 MHz per le trasmissioni televisive. Le Raccomandazioni europee non forzano, infatti, l Italia a liberare la banda 800 MHz ma lasciano, almeno fino al 2015, la decisione di come utilizzare quelle preziose frequenze ai singoli stati nazionali. L unica richiesta è quella di rispettare regole eque di coordinamento internazionale. Sarebbe dunque molto difficile per l Italia rinunciare alla capacità trasmissiva di 9 multiplex e, considerato che il numero di multiplex nazionali è fissato in 21, porre questa rinuncia quasi esclusivamente a carico dell emittenza locale. Dunque l Italia non avrà, a breve termine, un dividendo digitale e, a causa della pianificazione di reti (SFN) che utilizzano in modo intensivo lo spettro, non avrà white spaces estesi come quelli dei Paesi che adotteranno uno schema di pianificazione MFN (Francia, UK, Svizzera, etc.). L Italia disporrà di risorse da destinare al dividendo esterno solo nelle aree tecniche in cui la richiesta delle emittenti legittimamente operanti (essenzialmente locali) sarà inferiore alle risorse disponibili. La disponibilità di un dividendo esterno limitato a breve termine è dunque un fatto, qualunque sia la valutazione che di questo fatto si voglia dare. E altrettanto certo, tuttavia, che a mediolungo termine (dopo il 2012) anche l Italia dovrà armonizzare la sua banda 800 MHz con quella degli altri Paesi Europei e aprirla all uso degli operatori mobili. Tale scelta sarà poi inevitabile in prospettiva più lunga (dopo il 2015), quando la Rete (convergente) di Nuova Generazione raggiungerà l utenza fissa con connessioni fisse a larghissima banda e l utenza mobile con le tecnologie wireless di quarta generazione. La domanda centrale allora diviene la seguente: quali meccanismi regolamentari favoriranno lo sviluppo, nella banda 800 MHz, dei servizi di banda larga mobile e il progressivo abbandono di questa porzione di spettro da parte del broadcasting televisivo, come nel resto d Europa. L ipotesi di questo studio è che il meccanismo regolamentare che meglio potrà garantire una progressiva trasformazione dell uso della banda 800 MHz nel senso appena descritto è quello di una assegnazione contemporanea delle frequenze agli operatori televisivi e agli operatori 99

100 mobili. Ai primi nel rispetto dei diritti acquisiti ( legacy ) o con le nuove regole di gara per i nuovi entranti. Ai secondi, invece, mediante una procedura di asta competitiva a spettro occupato analoga a quella che ha portato, negli Stati Uniti, all assegnazione delle frequenze UHF nell asta FCC del I diritti d uso degli operatori televisivi dovrebbero avere carattere primario ma essere limitati nel tempo (ad esempio fino al 2015) mentre quelli degli operatori mobili dovrebbero essere limitati all esterno delle aree di servizio degli operatori televisivi ma avere durata più lunga (ad esempio pari a quella delle licenze UMTS). Durante il periodo di coabitazione, l operatore mobile dovrebbe limitarsi ad utilizzare le frequenze nelle aree non servite dall operatore televisivo, con diritti simili a quelli previsti per gli utilizzatori dello spettro interleaved nel Regno Unito o dei white spaces negli Stati Uniti. Un eventuale anticipo sui tempi della sostituzione del servizio televisivo con il servizio mobile dovrebbe essere lasciato alla libera negoziazione tra operatore mobile e operatore televisivo. In questo quadro, la valutazione delle condizioni tecniche di convivenza tra i due servizi e della estensione delle rispettive aree di servizio è, con tutta evidenza, un obiettivo di grande rilevanza per tutti gli stakeholders. Lo è per il regolatore ai fini della definizione dei diritti d uso dello spettro e lo è per gli operatori e per i responsabili della politica industriale ai fini della valutazione economica di un eventuale switch-off anticipato in specifici bacini di servizio. Anche per questo motivo, nel Regno Unito, l OFCOM ha commissionato dettagliati studi tecnici finalizzati alla valutazione dell interferenza reciproca tra i servizi IMT e quelli DVB-T (Era Technology ), per la valutazione degli effetti dell interferenza internazionale (Mason 2007) e per una valutazione preliminare del servizio sullo spettro interleaved (National Grid Wireless 2007). Nello scenario italiano, a causa dell uso intensivo dello spettro, la valutazione deve essere essenzialmente concentrata sull interferenza co-canale (ovvero tra trasmettitori che operano alla stessa frequenza) e riguardare il trade-off tra l uso televisivo e l uso mobile dello spettro. 100

101 In tutti gli studi dedicati all analisi simulativa delle possibili interazioni tra servizio mobile e servizio broadcasting, la valutazione è sempre stata limitata alla interferenza tra terminali riceventi e trasmettitori20. Anche le indicazioni che OFCOM (Documento di consultazione: Digital Dividend: Cognitive Access, Febbraio 2009) e FCC (Decisione white spaces del ) sono limitate alla definizione di soglie sotto le quali è possibile attivare il servizio secondari senza interferire sul servizio primario. Inevitabilmente, le soglie sono calcolate nel caso peggiore, immaginando cioè che il servizio primario sia ai limiti di ricevibilità. Come si vede nella figura successiva, tratta dal documento di consultazione OFCOM del febbraio 2009, il livello con il quale la popolazione del Regno Unito riceve il segnale sui canali 23, 34 e 54 è distribuito tra un livello di -72 dbm e -9 dbm. L 80% della popolazione riceve il segnale ad un livello superiore ai -45 dbm, eppure il livello di sensibilità (potenza minima per il servizio) assunto dallo studio ERA e dalla consultazione OFCOM è, per ovvi motivi prudenziali, posto a -72 db. A partire da questo valore OFCOM (ed FCC) pongono a dbm (un valore molto basso) il livello del segnale primario in presenza del quale può essere attivato un servizio secondario (esistenza di un white space ) senza pericolo di generare interferenze distruttive. Si tratta, certamente, di un livello che garantisce al 100% il servizio primario ma che non consente, tuttavia, di valutare in modo realistico l estensione delle aree di condivisibilità della risorsa spettrale. 20 B. Randawa, I. Parker - Conducted measurements to quantify different type of interference in the DDR frequency spectrum ERA-OFCOM Report

102 Infatti, nelle aree dove la popolazione riceve il segnale primario ( broadcasting televisivo) con un livello più alto (ad esempio il 50% della popolazione riceve un segnale di livello superiore a -30 db) il servizio secondario potrebbe essere attivato senza diminuire in modo sostanziale la qualità del servizio televisivo. Per questo motivo, in questo studio abbiamo deciso di analizzare la compatibilità tra servizi diversi confrontando l estensione delle aree di servizio televisive e mobili al crescere del numero di impianti attivati. A tale scopo, si è analizzata, con valutazioni basate sulla simulazione dei due servizi, la relazione esistente tra l incremento marginale degli utenti televisivi e il numero degli utenti dei servizi a banda larga perduti all accensione di ogni nuovo impianto di brodcasting. Tale valutazione è stata effettuata in modo incrementale, ordinando gli impianti per popolazione servita decrescente e valutando sia l andamento della popolazione servita dall operatore televisivo e che l estensione delle aree servite dall operatore mobile alla progressiva accensione (nell ordine detto sopra) di tutti i trasmettitori della rete digitale SFN. Vediamo in dettagli le ipotesi alla base della simulazione dei due servizi. 102

103 4.3.1 Valutazione del servizio e dell interferenza delle reti di broadcasting La valutazione dell estensione delle aree di servizio delle reti di broadcasting è stata effettuata con le metodologie attualmente utilizzate per la pianificazione nazionale e per il coordinamento internazionale. In ciascuno dei 9 canali della banda 800 MHz (61-69) è stata definita una rete di riferimento, realizzata in modalità SFN e con i parametri relativi alla modulazione 64QAM (FEC 2/3) riportati negli Atti Finali della Conferenza di Ginevra La rete di riferimento è stata pianificata in modo tale da massimizzare la copertura di popolazione servita al 90% di Location Probability e da rispettare i vincoli imposti dalle regole di coordinamento internazionale asimmetrico descritti nel paragrafo 1.3. L attenuazione del segnale elettro-magnetico causata dall orografia e dai clutter (urbanizzazione, vegetazione, etc.) è stata calcolata con il modello standard ITU-1812 e con riferimento al modello digitale del territorio SRTM della Nasa. Il campo interferente è stato valutato sommando con il metodo power-sum i campi interferenti all 1% del tempo ricevuti dai trasmettitori della rete di riferimento italiana e dagli assignment dei paesi confinanti registrati negli Atti Finali del Piano di Ginevra del 2006 (interferenza internazionale) Valutazione dell estensione dell area di servizio delle reti mobili La valutazione accurata dell estensione del servizio delle reti mobili richiede un analisi dinamica e statica del servizio molto più complessa da effettuare rispetto a quella necessaria per il servizio televisivo. Per una precisa valutazione del numero di utenti serviti è infatti necessario disporre di informazioni di dettaglio quali la distribuzione nel territorio delle base station, la dettagliata conoscenza 3D dell uso del suolo, l uso di algoritmi di valutazione dell attenuazione adatti ad un ambiente urbano (ray tracing), il tipo e la qualità del servizio richiesto dagli utenti, le tecniche di power control utilizzate. In effetti però, ai fini di una valutazione di massima del trade-off tra l uso mobile e l uso televisivo della Banda 800 MHz è forse sufficiente analizzare con metodi di simulazione più tradizionali uno scenario tipo che rappresenti in modo approssimato la realtà senza giungere alla drastica semplificazione di utilizzare la soglia OFCOM-FCC (-114 dbm). Una semplificazione, quest ultima, che corrisponderebbe all assunzione estrema che tutti gli utenti 103

104 interessati ricevano il segnale televisivo al livello di sensibilità. Lo scenario tipo è definito nel modo seguente: Il territorio è decomposto in areole elementari di 2.5 Km di lato. Il servizio televisivo viene valutato secondo le regole descritte nel paragrafo 2.1 Si ipotizza che in ciascuna areola all esterno dell area di servizio televisiva (ovvero, in ciascuna areola non servita dal broadcaster al 90% di location probability ) sia presente una base station UMTS (Node B) posta a 20 metri dal suolo. In accordo con i parametri definiti nella relazione ERA21, si ipotizza che gli utenti siano collegati in modalità HSDPA (modulazione 16 QAM) su un canale simmetrico e con bit-rate netto di 384 kbps. Sempre in accordo con le ipotesi delle misure ERA, si assume che la base station abbia un load factor tra il 50 e il 60% e che la potenza di uplink sia pari a -25 dbm. In queste condizioni (si veda la figura seguente), le misure ERA indicano in -10dB l entità del Rapporto di Protezione del servizio mobile da un interferente co-canale DVB-T. L areola viene considerata servita della base station associata (e dunque dalla rete mobile) se la somma dei segnali interferenti DVB-T (power-sum degli interferenti all 1% del tempo valutati a 20 metri di altezza) è inferiore alla soglia di 82 db V/m (corrispondenti ai - 25 dbm del segnale utile) più 10 db di rapporto di protezione. 21 B. Randawa, I. Parker - Conducted measurements to quantify different type of interference in the DDR frequency spectrum ERA-OFCOM Report DVB-T into UMTS Node B 104

105 Alcuni commenti allo scenario prima di presentare i risultati ottenuti. Innanzitutto osserviamo che lo scenario in esame valuta la convivenza tra i due servizi tenendo conto del rapporto C/I (segnale utile/disturbo) e quindi è molto meno prudenziale dei criteri basati su una soglia valutata nel caso di ricezione al limite della soglia di sensibilità. D altra parte, abbiamo già osservato che l uso di una soglia uguale a quella definita dall OFCOM (o dall FCC) di -114 dbm (-7 db V/m) ci condurrebbe immediatamente alla conclusione di totale incompatibilità tra i servizi nello scenario di uso denso dello spettro scelto dall Italia. Al contrario, lo scopo di questo studio è, lo ripetiamo, quello di fornire una valutazione delle condizioni tecniche, anche estreme, di convivenza tra i due servizi che sia utilizzabile da parte del regolatore, degli operatori e delle amministrazioni pubbliche. Dal primo al fine di definire le regole di assegnazione contemporanea dello spettro e dagli altri per valutare il trade-off tra l uso televisivo e l uso mobile della banda 800MHz. La seconda osservazione è che lo scenario proposto non tiene in conto l interferenza delle base station sul segnale televisivo. Per valutare questo effetto si sarebbe dovuta ipotizzare una struttura realistica della rete mobile e valutare l attenuazione del segnale emesso dalle base station. Come detto, questa valutazione non è immediata e verrà senza dubbio inserita in future versioni dello scenario. Per il momento, si è ritenuto sufficiente (punto 2 dello 105

106 scenario) limitare la valutazione del servizio mobile alle sole areole elementari non appartenenti all area di servizio televisiva. 4.4 CONVIVENZA TRA BROADCASTING DIGITALE TERRESTRE E SERVIZI IMT RISULTATI E CONCLUSIONI Lo scenario descritto nel capitolo precedente è stato valutato con riferimento a due delle 16 aree tecniche che saranno oggetto della procedura di progressivo switch-off analogico nel nostro Paese. Si sono scelte, in particolare, l area tecnica Piemonte Orientale-Lombardia e l area tecnica Toscana-Umbria. Il motivo della scelta è che nel primo caso siamo in presenza di un area nella quale i limiti di potenza sugli impianti delle emittenti televisive italiane sulle frequenze della banda 800MHz sono meno stringenti, mentre nel secondo caso il coordinamento internazionale asimmetrico descritto nel primo capitolo, costringe gli operatori italiani a limitare le potenze degli impianti operanti nella banda 800 MHz per rispettare le soglie previste nel territorio francese. Questa limitazione ha, con tutta evidenza, un effetto sulle aree di servizio televisive e, dunque, crea la possibilità di un maggior utilizzo mobile delle frequenze della banda 800 MHz Area Tecnica Piemonte Orientale- Lombardia La rete di riferimento (sul canale 66) che massimizza il servizio nell Area Tecnica Piemonte Orientale-Lombardia definita in questo studio è costituita da 82 impianti (localizzati in altrettanti siti di trasmissione). L andamento della copertura di popolazione corrispondente all attivazione progressiva di questi impianti è riportato nella figura successiva (curva blu) mentre l andamento della popolazione residente nelle areole elementari servite dalla rete mobile (punto 7 dello scenario) è rappresentato dalla curva verde. 106

107 %PopolaTV %PopolaMobile Come si vede, l attivazione progressiva degli 82 impianti comporta un incremento dell utenza televisiva servita con il classico andamento concavo mentre il decremento delle aree servite dalla rete mobile è molto più marcato all inizio (corrispondente all attivazione degli impianti televisivi a massima copertura) e converge, quando l intera rete di riferimento televisivo è accesa, ad un valore che potremmo definire di dividendo digitale strutturale (8% circa). Nell analizzare questi dati è molto importante ricordare che gli incrementi marginali di copertura della rete televisiva corrispondono a costi crescenti più che linearmente (dovuti essenzialmente al costo della rete di distribuzione, non più realizzabile a rimbalzo ). Dunque, nella valutazione economica dell uso dello spettro dobbiamo sempre ricordare che le coperture marginali sono a minimo beneficio per l utente e a massimo costo per il broadcaster. Infine è interessante osservare come il numero medio di siti attivati dalle emittenti locali nel nostro paese sia di poco superiore a 10, con centinaia di emittenti con meno di 3 impianti operativi. Questo basso numero di impianti per rete è giustificato, come già detto, dagli alti costi da sostenere per le coperture marginali e dall assenza dell obbligo, per le emittenti locali, di realizzare una copertura universale. Nel caso dell Area Tecnica Piemonte Orientale Lombardia una rete di broadcasting in linea con la media nazionale e costituita da soli 10 impianti raggiungerebbe il 65% della popolazione dell area tecnica (le aree più densamente abitate) e consentirebbe alla rete mobile di raggiungere il 20% della popolazione residente nelle aree marginali (tipicamente in digital divide). Nelle mappe seguenti visualizziamo le aree di servizio televisive (blu) e le aree 107

108 servite dalla rete mobile (verde) dopo l attivazione di 1, 10, 40 e 82 impianti Area Tecnica Toscana-Umbria Nell Area Tecnica Toscana-Umbria, al contrario della precedente, la massima copertura raggiungibile dall emittente televisiva sul canale 66 è limitata dalla necessità di rispettare i vincoli di coordinamento internazionale asimmetrico verso la Francia, che utilizza questo canale della Banda 800 MHz per il servizio mobile uplink. Questi vincoli impongono una limitazione della potenza degli impianti in Toscana e, di conseguenza, la rete di riferimento televisiva ottimizzata e coordinata lascia ampie zone non coperte nelle provincie costiere (veri e propri white spaces ). 108

109 La rete di riferimento è costituita da 67 impianti (localizzati in altrettanti siti di trasmissione); la popolazione nell area di servizio televisiva rimane di poco al di sotto dell 80% mentre la popolazione servita dalla rete mobile decresce più lentamente (40% con 10 impianti attivati) e converge ad un dividendo digitale strutturale del 20% %PopolaTV %PopolaMobile

110 Nelle mappe seguenti visualizziamo le aree di servizio televisive (blu) e le aree servite dalla rete mobile (verde) dopo l attivazione di 1, 10, 40 e 67 impianti. Come previsto, la rete mobile a regime sarà essenzialmente concentrata nelle aree ( white spaces ) non servite dal broadcasting televisivo. 110

111 5 SEZIONE 5: How to regulate Spectrum? A methodological introduction. 5.1 INTRODUCTION Wireless services will undergo a major expansion in the next decade. The generally accepted view is that this will provoke an increased need for radio spectrum. Major technological changes are under way as well, which might help in improving its efficient use, but also warrant savvier management methods 22. Spectrum uses are of a highly diverse nature, as illustrated opn UK data on the following chart: Source: Ofcom, 2008 It could be thought that an economic approach would rely on cost-benefit analysis (CBA). 22 This document has strongly benefited from the research being carried out in within the European Commission Specific Support Action SPORTVIEWS (Spectrum Policies and Radio Technologies for Viable Wireless Services, Contract No , However, the author carries sole responsibility for the views expressed. They do not in particular necessarily reflect those of the European Commission or the SPORTVIEWS consortium partners. 111