UMTS - ISCOM - Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle

Giovanni Peloso
( Ministero delle Comunicazioni-
Direzione Generale per le Concessioni e le Autorizzazioni)
U M T S
LA TELEFONIA MOBILE-MULTIMEDIALE
NEL TERZO MILLENNIO
Sommario: il presente articolo mette in
luce i legami esistenti tra l’UMTS e l’IMT
2000 e fa il punto sui lavori di standardizzazione attualmente in essere. Inoltre, si propone di analizzare le caratteristiche di
interfaccia radio e di rete di base, principalmente l’evoluzione di quest’ultima verso una
soluzione tutta IP che si affianca alla nuova
architettura dei servizi.
Abstract: This article higlights the
dependencies between UMTS and IMT 2000
and overviews current standardization
activities.It there discusses the characteristics
of the air interface and core network, including
its evolution towards a ““full IP solution” as
well as the new service architecture.
Le previsioni del Forum UMTS, rispetto al
mercato della telefonia mobile, prevedono che in
Europa nel 2005 circoleranno circa 200 milioni di terminali mobili, mentre nel nostro paese
sempre alla stessa data se ne prevedono circa 40
milioni.
La crescita esponenziale della telefonia
mobile e la globalizzazione delle tecnologie
mobili digitali stanno facendo compiere ai paesi
dell’Unione Europea un passo decisivo verso la
wireless information society, dove insieme alla
voce anche i dati e le immagini saranno consegnati per parte decisiva alla comunicazione mobile.
L’UMTS (Universal Telecommunication
System) è uno dei sistemi menzionati dall’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (UIT)
nel quadro del progetto mondiale IMT 2000 volto alla definizione di sistemi mobili di terza generazione (3G). Tale scelta è applicata al fine di
promuovere lo sviluppo di sistemi mobili in grado di offrire al mercato di massa una serie di servizi telefonici e multimediali mobili.
Un sistema universale deve poter garantire
di andare verso una rete unificata , offrire dei
nuovi servizi sia agli abbonati esistenti che quelli
nuovi e facilitare dunque il rapido utilizzo di una
vasta gamma di servizi. Per questa ragione una
visione globale del concetto di UMTS (fig.1) comprende:
-Una nuova interfaccia radio, in grado di
ottenere delle alte potenzialità relativamente ai
servizi multimediali offerti;
-Dei mezzi atti a realizzare una rete di base
unificata per le applicazioni fisse e mobili nonché per le applicazioni relativa a telefonia e dati;
-Un’architettura flessibile di servizi in grado di consentire agli operatori di soddisfare le esigenze degli abbonati.
La WARC (World Administrative Radio
Conference) nel 1992 ha introdotto un nuovo sistema di comunicazioni mobili di 3^ generazione chiamato FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications) definendo le frequenze da utilizzare ed avviando gli studi per definire
le specifiche caratteristiche per consentire l’impiego di prestazioni del sistema indipendentemente dalla zona geografica in cui il terminale sta
operando in quel momento .
Successivamente la WARC-97 (World Radio Conference) ha modificato la denominazione del servizio da FPLMTS a IMT -–2000
(Internazional Mobile Comunications).
Con tale concetto si è inteso designare non
uno standard rigido ed un unico livello mondiale
a cui tutte le apparecchiature dovessero uniformarsi , ma piuttosto più standard che devono conformarsi agli elementi comuni definiti in ambito
ITU –R (International Telecommunications
Union-Radio ).
Nell’ambito dell’IMT-2000 l’Europa ha definito l’UMTS e ciò ha comportato competizioni
La Comunicazione - numero unico 2000
49
NOTE
(THE UNIVERSAL MOBILE SYSTEM IN THE 3 rd MILLENIUM)
Giovanni Peloso
Accesso Radio a larga banda
Rete Unificata
Architettura dei servizi
UMTS
NOTE
Fig.1 Concetto d' UMTS
con altre proposte provenienti da tutto il mondo .
Infatti i giapponesi sostengono l’accesso multiplo a divisione di codice a banda larga W-CDMA
(Wideband code division multiple access) , mentre gli americani propongono due tecnologie il
CDMA 2000, un’evoluzione dell’IS-95 (nota con
la denominazione commerciale di CDMAOne) e
l’UWC-136 un’evoluzione dell’IS-136.
La fig. 2 evidenzia le principali proposte
dell’IMT2000 oltre alle corrispondenti tecnologie
della seconda generazione proposte dallo stesso
organismo di standardizzazione.
Nella fig.2 il collegamento 2G/3G indica che
le normative sono emesse dallo stesso organismo
di normalizzazione ma non implicano che la proposta 3G sia una evoluzione della normativa 2G.
Sussiste ad esempio una differenza molto
netta tra le interfacce radio GSM e UMTS così
come tra la W-CDMA e il PDC (Personal Digital
Cellular).
Tuttavia quando una proposta 3G proviene
da una evoluzione della normativa 2G esistono
dei collegamenti di interfunzionamento forti da
permettere di utilizzare degli “isolotti 3G”.
Una volta definita l’interfaccia radio, occorre studiare gli aspetti della rete collegati alla possibilità di sfruttare la nuova normativa con le reti
mobili esistenti ; ciò presuppone la risoluzione di
un certo numero di problemi al fine di assicurare
l’armonizzazione globale e la definizione della
parte fisica dell’interfaccia radio.
Attualmente l’IMT 2000 comprende i seguenti sistemi di terza generazione:
50
-l’UMTS , definito dal progetto di partneriato
per la terza generazione (3GPP),messo in piedi
dall’SMG (Special Mobile Group) dell’Istituto
europeo di standardizzazione delle telecomunicazioni (ETSI), gli organismi giapponesi ARIB
(Association of Radio Industries and Businesses)
, il TTC (Telecommunication Technology
Association ) coreano e il comitato nord-americano T1P1;
-il CDMA2000, definito dal 3GPP2 (ARIB,
T1, TTA, TTC) . Il CDMA 2000 è una evoluzione
della normativaCDMAOne;
-l’UWC-136, basato sulle tecnologie GPRS
(General Packet Radio Service) ed EDGE (
Enhanced Datarate for GSM Evolution) definiti
dall’ETSI per il trasporto di dati su rete
sovrapposta a delle reti telefoniche IS-136 classiche. Sono dunque definite tre tecnologie di
interfaccia radio in grado di coesistere con le due
principali normative di reti di base. La fig. 3 rappresenta le possibilità di interfunzionamento tra
le interfacce radio e le reti di base.
Malgrado le normative della terza generazione siano meno numerose di quelle della seconda esistono due grandi tecnologie: il CDMA
(UMTS e CDMA2000) e l’accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) (UWC-136). Ancora
oggi non si è pervenuti ad un accordo su di una
normativa unica. Esiste un certo grado di
armonizzazione tra l’UMTS e il CDMA2000, e
certi parametri radio sono identici , ma restano
da studiare gli aspetti di segnalazione rete/mobile
ai fini di un interfunzionamento completo.
La Comunicazione - numero unico 2000
UMTS LA TELEFONIA MOBILE-MULTIMEDIALE DEL TERZO MILLENNIO
(THE UNIVERSAL MOBILE SYSTEM IN THE 3 rd MILLENIUM)
2G
PDC
Proposta 3G
Giappone
3G
W-CDMA
FDD1
FDD
FDD2
FDD
UTR
A
TDD
CDMA
2000
CDMA
IS 95
CDMAOne
AMRT
"Cina"
TDS
SCDMA
GSM
GPRS
Mondo IS-41
GSM/
EDGE
UWC-136
IS-136
AMRT
NOTE
"Mondo GSM"
Fig.2 Tecnologie IMT2000 di terza generazione
Interfaccia radio UMTS:
La definizione dell’interfaccia radio UMTS
ha due modi di funzionamento TDD (Time
division duplexing) e FDD (Frequency division
duplexing) fig.4.
La modalità FDD dell’UTRA (UMTS
terrestrial radio access) si basa su una tecnica di
3 MODI
UMTS
FDD + TDD
GSM MAP
CDMA2000
UWC136
IS-41
rete a due cuori
Fig. 3 Interfaccia radio/rete di interconnessione
La Comunicazione - numero unico 2000
51
Giovanni Peloso
Canale 5 MHz
up link
Modo FDD
down link
Ortogonalità in codice
e in frequenza
NOTE
Modo TDD
Ortogonalità in codice
e nel tempo
Fig.4 Modi FDD e TDD
CDMA a sequenza diretta (DS-CDMA).
Essa comporta dei meccanismi (ad esempio dei canali pilota multiplexati nel tempo e il
funzionamento asincrono) utilizzati per ottenere
una capacità superiore a quella offerta dai sistemi
DS-CDMA esistenti, come l’IS-95. Sono stati studiati i parametri radio (potenza di emissione e
potenzialità dei servizi) in modalità FDD per permettere l’utilizzazione di reti UTRA su grande
scala. Sono necessarie due carrier in modalità
FDD: una per l’uplink ed una per il downlink.
La modalità TDD dell’UTRA è stata concepita e ottimizzata per le applicazioni ad intenso
traffico .
In modalità TDD vengono utilizzati due
meccanismi differenti per mantenere l’ortogonalità
52
tra gli utenti (vale a dire per permettere agli utenti
di condividere la stessa frequenza senza avere un
doppio disturbo) .Si basano su un multiplexing
temporale e dei codici. Conseguentemente è possibile realizzare dei detector multi-utente e a tal
fine la modalità TDD assicura una grande protezione per quanto concerne il disturbo emesso
dagli altri utenti.
Certi parametri radio, come la larghezza di
banda (5 GHz), la velocità di modulazione (3,84
Mbit/s) e la modulazione per spostamento di fase
a 4 stadi (MDP4) sono comuni ad entrambe le
modalità FDD e TDD. Invece , le stesse sono differenti per potenzialità di servizi e tipologia di
servizio preferenziale . E’ possibile avere delle
erogazioni/potenzialità di servizio che raggiungo-
La Comunicazione - numero unico 2000
UMTS LA TELEFONIA MOBILE-MULTIMEDIALE DEL TERZO MILLENNIO
(THE UNIVERSAL MOBILE SYSTEM IN THE 3 rd MILLENIUM)
A del GSM) favorirà la concorrenza sul mercato
delle infrastrutture. Comunque , poiché il sistema
è destinato ad essere impiegato in Europa , in Asia
(compreso il Giappone) e negli Stati Uniti ,dove
le reti di base seguono delle vie di evoluzioni differenti, si potrà avere un insieme di funzioni standardizzate con l’interfaccia Iu anziché avere una
unica interfaccia Iu.
Una interfaccia Iub aperta permetterà agli
operatori di rete UMTS di far interagire le attrezzature di nodo B e RNC di diversi fornitori.
Mentre l’introduzione delle tecnologie
CDMA e ATM differenzia l’accesso radio UMTS
dall’accesso radio GSM , l’architettura della rete
di base sarà una evoluzione del sotto sistema rete
GSM e dovrà permettere una migrazione a partire dalle reti esistenti.
L’architettura di rete di base UMTS e la sua
evoluzione si basano su due principi:
v la necessità di preservare gli investimenti
in GSM e di conservare l’archittettura del sotto
sistema di rete ;
v
l’uso continuo delle tecnologie di
commutazione e di trasmissione dei pacchetti
principalmente IP, per beneficiare di costi ridotti
Rete di base UMTS
Iu
Iu
RNS
Iur
Iur
UTRAN
RNC
RNC
RNC
Iub
Iub
Nodo B
Iu
Nodo B
Nodo B
Nodo B
Iub
Nodo B
Nodo B
Uu (Radio)
Fig. 5 Architettura di rete d'accesso radioterrestre UMTS
La Comunicazione - numero unico 2000
53
NOTE
no i 2,048 Mbit/s in modalità TDD , mentre l’FDD
raggiungerà i 384 Kbit/s in condizioni di utilizzo
corrente.
Per le sue caratteristiche , l’interfaccia radio
UMTS si presenta come il dispositivo ideale per
soddisfare sia le esigenze degli utenti finali che
degli operatori.
La fig.5 indica l’architettura di rete d’accesso radio terrestre UMTS (UTRAN). Tutte le
interfacce terrestri sono attualmente basate sulla
modalità di trasferimento asincrono (ATM).
Il terminale UMTS comunica con la rete di
accesso UTRA tramite l’interfaccia radio (Uu).
La rete di accesso è costituita da elementi
quali il nodo B (che può essere paragonato alla
stazione base GSM), collegata ad un controllore
di rete radio (RNC) simile ad un controllore di
stazione di base GSM attraverso l’interfaccia Iub.
Un RNC controlla i diversi nodi B.
L’interfaccia Iur , assente nel GSM , è una conseguenza della tecnologia di interfaccia radio
CDMA. Una interfaccia Iu collega tra loro le reti
di accesso e di base .
L’interfaccia radio Uu è una interfaccia aperta
per tutti gli elementi della rete .
Una interfaccia Iu aperta (come l’interfaccia
Giovanni Peloso
di gestione.
Negli anni a venire la rete di base sarà
ottimizzata per il traffico dati al fine di considerare la più gran parte del traffico globale .
Poiché una gran parte di dati sarà generata
dai servizi internet, l’IP sembra la soluzione migliore.
Infine da quando sarà possibile instradare la
voce sull’IP, i servizi mobili e fissi potranno condividere le stesse risorse di rete.
NOTE
Servizi UMTS
Tutte le tecnologie della terza generazione
sono state concepite al fine di utilizzare appieno
il trasporto dei dati per offrire agli utenti una vasta gamma di servizi con una velocità fino a due
Mbit/s quali:
-Business information, ovvero tutto ciò che
riguarda il mobile office o la narrowcastTV, oltre
alla possibilità di creare dei gruppi di lavoro virtuali;
-Servizi economici/finanziari, quindi tutto
ciò che è legato al virtual banking, all’on-line
billing, ed alle operazioni finanziarie da effettuarsi
con le nuove universal Sim-Card che diventeranno delle vere e proprie carte di credito virtuali;
-Servizi di sicurezza e/o sociali, possibilità
di celere collegamento con i servizi di emergenza;
-Servizi di comunicazione, come la video
telefonia e la video conferenza, ma anche l’utilizzo di risponditori e riconoscitori vocali
automatizzati, oltre ai servizi di localizzazione
istantanea;
-Ausilio al trasporto, con pedaggi prepagati
o gestione di flotte aziendali, oltre ad eccellenti
capacità di antifurto;
-Utilizzo della rete internet, ovvero
“browsing the WWW” con terminali portatili completamente automatizzati, e-commerce istantaneo,
editoria on-lline e traduzioni on-line, oltre a vari
servizi di diffusione su base locale;
-Didattica, strumenti come la scuola virtuale o laboratori scientifici on-line, librerie on-line,
laboratori linguistici on-line;
-Intrattenimento, ovvero funzioni di audio
on demand o di games on demand, visione di video clips, o di itinerari turistici di ogni parte del
mondo.
54
Conclusioni
In questi due ultimi anni, il concetto di
UMTS si è considerevolmente sviluppato a seguito dell’adozione da parte dell’ETSI di
un’interfaccia con doppia modalità (FDD e TDD),
della sua inclusione nelle norme della terza generazione e della volontà espressa dai diversi enti
di normalizzazione di cooperare strettamente nell’ambito del 3GPP sulla definizione di un sistema
comune UMTS.
Gli operatori e i fornitori devono adesso
mettersi d’accordo sulla definizione di una rete
futura unificata che utilizzi la tecnologia IP (basata sull’ architettura GPRS proposta dalle specifiche dell’anno 2000).
Si presuppone, che in Italia e nella maggior
parte degli altri paesi dell’Unione Europea, i sistemi di comunicazioni mobili di terza generazione saranno avviati nel 2002.
Di recente però, il presidente dell’ISIMM
(Istituto per lo studio dell’innovazione nei media
e per la multimedialità) ha fatto presente il ritardo con cui l’Italia si prepara a questa data, vuoi
per lo scarto temporale tra acquisizione tecnica e
concreta introduzione di nuovi servizi nel mercato, vuoi alla specifica difficoltà italiana dell’agire
politico sotto il profilo legislativo.
Si richiama quindi l’attenzione ad un possibile recupero del ritardo nazionale ed a rendere
aggiornato e competitivo il “sistema paese”.
L’UMTS si annuncia come un possibile passo decisivo, anche se parziale, verso la comunicazione totale applicata alla mobilità, infatti chiunque può trasmettere e ricevere qualunque cosa,
in qualsiasi luogo e in qualsiasi momento.
La telefonia era stata vista ,fino a poco tempo fa, come il parente povero , ma oggi l’Italia
che ha avuto uno dei più grandi sviluppi
quantitativi della telefonia mobile in Europa costituisce il maggiore mercato della telefonia
cellulare.
Di conseguenza sia Tim che Omnitel sono
già impegnate nella ricerca e sperimentazione delle
nuove tecnologie, nonché nella collaborazione
internazionale che crei uno standard davvero universale.
Bibliografia: Forum UMTS
La Comunicazione - numero unico 2000