WiMAX - Claudio Cancelli

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WiMAX - Claudio Cancelli
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STANDARD
WiMAX,
una proposta per l’accesso
Broadband Wireless
GIOVANNI GASBARRONE
FEDERICO MARIA RENON
DANIELE ROFFINELLA
MARCO SPINI
MAURIZIO VALVO
Questo articolo si propone di contribuire a fare chiarezza sulle caratteristiche e sullo stato di maturità raggiunto dalla tecnologia WiMAX, sulla reale
“copertura” degli standard, sui campi di applicazione per i quali i sistemi
WiMAX potranno realisticamente essere considerati. Le informazioni e le
valutazioni riportate si basano su lavori di ricerca ed analisi condotte da
Telecom Italia, utilizzando anche RFI (Request For Information) verso i
costruttori e la partecipazione al WiMAX Forum.
Un futuro articolo riporterà le risultanze delle sperimentazioni tecniche
attualmente in fase di avvio da parte di Telecom Italia, e le valutazioni tecnico/economiche relative ai possibili scenari di applicabilità.
1. Introduzione
Un “club privato” internazionale, nato nel “lontano” 2001, il cui numero di membri passa da 10
nel 2003 ad oltre 200 a fine 2004 ed oltre 350 nel
2005 [1]; un leader mondiale dei semiconduttori
che fa una scommessa strategica su una tecnologia che dovrebbe permettergli di affermarsi in uno
dei settori più dinamici e remunerativi delle TLC [2];
svariate decine di convegni in tutto il mondo, di
studi di analisti specializzati [3], siti web dedicati,
centinaia di articoli (su riviste tecniche ma anche
sui quotidiani), migliaia di citazioni; una decina di
aziende “piccole”, e fino a ieri quasi sconosciute,
che conquistano un importante spazio di mercato
e l’interesse dei key player di settore proponendo
prodotti proprietari ma collocati su una roadmap
che promette di far nascere prodotti “interopera-
bili”; una spinta di “interessi forti” che induce le
autorità di regolamentazione internazionali e nazionali ad intraprendere azioni per allocare [4] porzioni
di risorse (spettro elettromagnetico) per l’uso di
una tecnologia per certi aspetti “disruptive”; molte
decine di sperimentazioni pianificate in diverse
regioni del mondo. Tutto questo, ed altro ancora, è
il WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access), un “brand” accortamente scelto dal
WiMAX Forum [5] per evocare un “WiFi massimizzato”, ed indicare una “standards-based technology enabling the delivery of last mile wireless
broadband access, providing fixed, nomadic, portable and, eventually, mobile wireless broadband
connectivity without the need for direct line-ofsight with a base station”. In effetti, articoli e convegni sono prodighi di descrizioni, tabelle, confronti, in cui le prestazioni attese, in termini di
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capacità, copertura, supporto applicazioni, economicità, …, della tecnologia WiMAX non possono
lasciare indifferenti. Come succede spesso, i valori
indicati sono dei “massimi” teorici tipicamente non
raggiungibili, o almeno non ottenibili per tutti i
parametri contemporaneamente: ad esempio, il
massimo bit rate non può essere assicurato alla
massima distanza, per il massimo numero d’utenti
e con gli apparati più economici. Questo articolo si
propone di contribuire a fare chiarezza sulle caratteristiche, sui campi di applicazione e sullo stato di
maturità raggiunto dalla tecnologia WiMAX.
2. L’accesso Broadband Wireless
2.1 Caratterizzazione dei contesti applicativi
Il BWA (Broadband Wireless Access) è uno dei
settori delle TLC più interessanti e maggiormente
in evoluzione sia dal punto di vista del mercato, sia
per quanto attiene all’innovazione tecnologica; tale
considerazione è ancora più vera con l’avvento di
scenari di convergenza fisso-mobile e voce-dati
[6]. In realtà il termine BWA può essere usato per
designare segmenti di mercato, contesti applicativi
e aree tecnologiche anche molto diverse ed eterogenee. Fra le svariate possibilità, quattro scenari
(figura 1), data la loro generalità, sono oggetto di
particolare interesse e valutazioni [7]:
tere la connessione dei terminali d’utente come
PC, notebook, palmari, cordless, ... . Ad esempio,
si potranno utilizzare interfacce Ethernet, reti private WiFi, ecc, mentre telefoni POTS potrebbero
venir connessi direttamente, o mediante adattatori
IAD (Integrated Access Device ).
B Connettività broadband per utenti “nomadici” in
ambienti home/office/outdoor.
In questo scenario l’end-point è il terminale,
che la persona può portare con se, in ambienti
indoor (home/office) oppure outdoor. Il terminale è
quindi dotato di una propria unità di comunicazione wireless broadband. La caratteristica di
“nomadicità” implica che il terminale può connettersi alla rete quando è “fermo” in qualunque
luogo, purché sotto “copertura” radio, mentre
quando il terminale è in movimento la comunicazione non viene assicurata. Non sono pertanto
necessari meccanismi per l’hand-over; un caso
significativamente più complesso (in termini d’impatti in rete) si avrebbe in presenza di un requisito
di “mantenimento della sessione”, che consentirebbe di non disattivare/riattivare le procedure di
connessione ogni volta che il terminale viene spostato di ambiente.
C Backhauling di sistemi d’accesso.
Rientrano in questo scenario tutte quelle situazioni, anche piuttosto diverse e specifiche, in cui le
tecnologie BWA sono utilizzate non a livello di
interfaccia utente-rete, ma per portare connettività
a larga banda verso apparati d’accesso appartenenti essi stessi alla “rete”. Un esempio tipico è il
A Connettività broadband per utenti “fissi” in
ambienti home/office.
Questo scenario è quello in cui l’equivalente
“soluzione wired” è tipicamente l’xDSL; in presenza di
una domanda di servizi ed
applicazioni a larga banda,
una possibile opzione è l’utilizzo di una connessione
BWA verso il luogo (abitazione, oppure ufficio, o
negozio, …) al quale, per
qualche ragione (tecnica,
economica, regolatoria,
competitiva, …), risulti problematico o di poco interesse portare connettività
broadband mediante una
linea fissa. Qui l’end-point è
l’abitazione (o l’ufficio…),
con tutte le implicazioni che
ne derivano: il “contratto” è
assimilabile a quelli tipici per
utenza residenziale (o per
PMI). La BWA Subscriber
Station potrà tipicamente
utilizzare
un’antenna
“esterna” (con migliori prestazioni radio); all’inter no
dell’abitazione/ufficio ci
potranno essere svariate
soluzioni, adatte alle situa- FIGURA 1› Quattro scenari applicativi per l’accesso broadband wireless.
zioni specifiche, per permet-
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backhauling di hot spot WiFi: il WiFi trova interessanti campi d’applicazione, ma a volte è problematico (o non conveniente) utilizzare linee fisse per
rilegare l’access point WiFi al resto della rete dell’operatore, e diventa interessante considerare
l’uso di tecnologie BWA. Un altro caso può essere
rappresentato dall’esigenza di connettere stazioni
radio base di sistemi radiomobili (in alternativa ad
es. all’utilizzo di un CDN). I requisiti derivanti da
questo scenario sulle soluzioni tecniche sono
soprattutto in termini di capacità complessiva del
link radio (tipicamente maggiore rispetto agli altri
scenari), la sua “affidabilità, la robustezza ai
disturbi, … .
D. Connettività broadband per utenti “mobili”.
Questo è lo scenario che presenta le maggiori
criticità tecniche: i terminali devono essere connessi a larga banda anche in condizione di mobilità
veicolare. I requisiti sono assimilabili a quelli che
valgono per le reti cellulari tradizionali, con il vincolo aggiuntivo della “larga banda”.
I quattro scenari si differenziano significativamente in termini di requisiti; per una loro corretta
caratterizzazione vanno in particolare considerati
alcuni “parametri chiave”, richiamati brevemente
nel seguito:
• La “capacità per end-point”, vale a dire il bit
rate aggregato (medio e di picco, con associata
QoS), all’interfaccia radio verso la singola
Subscriber Station (nello scenario A), verso il
singolo Terminale (negli scenari B e D), o verso
la singola Backhaul Station (scenario C).
• La “capacità per settore di base station”. Un
“settore” è l’area geografica tipicamente
coperta (servita) da un’antenna; in corrispondenza di una certa installazione è possibile utilizzare configurazioni tali per cui la copertura
radio della zona circostante è suddivisa in uno
o più “settori”. Tipicamente, la “capacità per
settore” (in bit/secondo) corrisponde al valor
massimo aggregato dei flussi delle comunicazioni contemporanee attive in quel settore. Un
altro parametro importante è il “raggio di copertura”, cioè la distanza massima fra l’end point e
la Base Station.
• L’ “ambito geografico” entro il quale il terminale
con accesso wireless rimane confinato quando
accede ai servizi TLC. Vanno considerati
ambiti “domestico”, “office-room”, “office-building”, “campus”, e “wide area” (in cui il terminale ottiene un accesso wireless in aree geografiche estese a tutta una città o regione).
• Il “tipo di mobilità” del terminale.
Distingueremo fra “accessi wireless fissi”, in
cui il terminale rimane tipicamente fermo in
uno specifico ambiente; “portabilità”, quando
il terminale può ottenere connessioni wireless
in diversi luoghi, ma non viene garantita la
continuità di sessione; “nomadismo continuo”, intendendo la possibilità di mantenere
la continuità di sessione mentre il terminale si
sposta in luoghi diversi, ma senza garantire
assenza di interruzioni nei flussi (discontinuità
ad es. nella voce e nel video); “mobilità”, continuità della sessione e dei flussi, come nelle
reti cellulari (con ulteriori distinzioni a
seconda della velocità di spostamento del
terminale).
È importante tener conto che i diversi parametri non sono “indipendenti”, ma fortemente correlati, ad esempio un’alta “capacità per end point”
potrà essere assicurata solo entro “raggi di copertura” ridotti, mentre la capacità per end-point
dipende, fra l’altro, dal numero di end-point contemporaneamente attivi nello stesso settore.
Inoltre queste grandezze dipendono a loro volta
da svariati fattori, fra cui:
• la larghezza di banda (Hz) disponibile nella
banda di lavoro;
• la canalizzazione adottata; le tecniche di modulazione e di codifica;
• le caratteristiche dei ricetrasmettitori radio (in
particolare la potenza) e delle antenne (in particolare la collocazione indoor o outdoor dell’antenna all’end-point);
• la condizione di “visibilità ottica” LOS (Line Of
Sight) o “non visibilità” (Non LOS) fra le
antenne della Base Station e dell’end-point; le
caratteristiche (statistiche) di propagazione
radio (dipendenti a loro volta dalla natura del
terreno, delle costruzioni, della vegetazione,
del clima ...);
• le eventuali interferenze con settori adiacenti e
fra i terminali stessi, nonché le loro posizioni
reciproche, … .
Tale complessità rende, nei casi pratici, necessario adottare adeguati (e complessi) metodi e
strumenti di dimensionamento e di progettazione
delle coperture radio, per cui va tenuto presente
che confronti “teorici” fra diverse tecnologie BWA,
in situazioni “ideali”, possono avere un valore puramente indicativo.
2.2 L’accesso Broadband Wireless: un pò di storia
Il panorama delle soluzioni e delle tecnologie
che sono state proposte per rispondere ai bisogni
di connettività wireless a larga banda è quanto mai
ricco e variegato. Esistono sia soluzioni proprietarie sia standard, alcune consolidate, molte obsolete, altre in fase di sviluppo; alcune tecnologie
possono essere considerate di nicchia, mentre
altre traguardano mercati potenzialmente molto
vasti. Allo scopo di collocare correttamente il
WiMAX nell’ambito delle soluzioni BWA, sono qui
richiamati alcuni esempi rilevanti di tecnologie
BWA, rimandando alla letteratura per disamine
approfondite delle diverse soluzioni [8]. Non
saranno qui considerate soluzioni concepite per
applicazioni in aree “locali” LAN (Local Area
Network) (come il WiFi) o “personali” PAN
(Personal Area Network) come il BlueTooth: anche
se si tratta certamente di soluzioni wireless per
l’accesso broadband, le limitazioni sul “raggio di
copertura” le pongono fuori dal contesto analizzato
in questo articolo.
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Un fattore importante da considerare per orientarsi fra le svariate proposte di soluzioni BWA, è la
porzione dello spettro elettromagnetico utilizzata
dalle specifiche soluzioni, con gli associati aspetti
sia tecnologici che regolatori. Dal punto di vista
tecnico la zona di spettro usata per “la portante”
(che tipicamente può posizionarsi da pochi GHz a
poche decine di GHz) condiziona, in particolare, le
caratteristiche di propagazione radioelettrica; semplificando moltissimo, si può assumere che con
frequenze più alte è possibile disporre di più banda
(e quindi più capacità), ma diventa più critico assicurare la connessione radio fra antenne che non
siano fra loro in linea di vista ottica (la copertura
indoor diventa di fatto impraticabile a partire dai 5
GHz); si devono utilizzare quindi settori con raggi
di copertura minori o prevedere solo installazioni
esterne in LOS, e ciò comporta costi infrastrutturali
più alti. Gli aspetti regolatori sono altrettanto
importanti, in quanto sono tipicamente gli enti
regolatori nazionali che (tenendo conto di quanto
definito dagli enti di regolamentazione internazionali) riservano le diverse porzioni di spettro per usi
specifici, permettendo usi “liberi” di alcuni segmenti, e cedendo licenze per l’uso di altri. In generale è evidente che l’utilizzo di porzioni di spettro
non licenziate risulta incompatibile con l’offerta di
servizi con un livello minimo “garantito” di qualità,
a causa delle possibili interferenze fra sistemi
diversi attivi in una stessa zona geografica, a meno
che i raggi di copertura siano estremamente limitati
(tipicamente poche decine di metri).
Con qualche approssimazione, si può affermare
che i sistemi BWA non hanno avuto sinora uno sviluppo di business particolarmente rilevante. Nel
1998 gli Stati Uniti hanno messo in vendita licenze
per un totale di 1300 MHz di banda (molto maggiore del totale della banda usata per la radio diffusione AM/FM, la diffusione TV VHF/UHF, e la
telefonia cellulare presi insieme), nelle porzioni di
spettro fra 27.5 GHz e 31.3 GHz. Le licenze erano
destinate all’offerta di servizi LMDS (Local
Multipoint Distribution Service), comprendenti sia
servizi televisivi sia telefonici sia dati ad alta velocità, ponendosi come alternativa a soluzioni wired
per portare la larga banda ad utenza residenziale e
business. Per quanto riguarda le antenne della
base station e degli end-point, il sistema consente
configurazioni sia punto-punto (PTP) che puntomultipunto (PMP), su distanze che possono arrivare ad alcuni chilometri; tuttavia, in conseguenza
della zona (alta) di spettro utilizzata, può operare
sono in condizioni di linea di vista fra le antenne,
ed è sensibile alle perturbazioni atmosferiche, alla
pioggia, alla presenza di alberi. Nel resto del
mondo il termine LMDS non è usato frequentemente, ma sono state generalmente riservate porzioni di spettro per servizi analoghi (ad esempio,
intorno ai 24 GHz in Germania, ai 28 GHz in Italia,
ai 22 GHz e 28 GHz in Corea e Giappone, ai 40
GHz in altri Paesi). Gli scenari di utilizzo rientrano
nelle tipologie A) e C) descritte sopra (ad esempio
in Italia i sistemi a 28 GHz vengono usati principalmente per connettere le base station delle reti
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radiomobili). I costi delle licenze ed i costi degli
apparati, nonché il vincolo della linea di vista e la
mancanza di uno standard che permettesse l’interoperabilità tra apparati di costruttori diversi, non
hanno sinora consentito uno sviluppo di mercato
significativo per l’LMDS e i sistemi similari.
Anche in zone più basse dello spettro sono
state allocate porzioni per applicazioni BWA. Ad
es. negli USA le frequenze da 2,5 a 2,7GHz erano
state riservate per il MMDS (Multi-Channel MultiPoint Distribution Service). L’ MMDS è stato concepito originariamente per la distribuzione unidirezionale di canali televisivi, come un’alternativa alla
distribuzione TV via cavo; successivamente la
FCC USA ha modificato il piano di allocazione
delle frequenze, per consentire applicazioni bidirezionali voce, dati e video (tuttavia tale porzione
spettrale è ancora “in coabitazione” con un’altra
tipologia di applicazioni, l’ITFS (Instructional
Television Fixed Ser vice), e la situazione sta
ancora evolvendo. Operando su frequenze più
basse, i sistemi MMDS sono, rispetto a quelli
LMDS, meno sensibili alla pioggia, alla nebbia, agli
alberi, possono coprire distanze maggiori (anche
qualche decina di chilometri), e le tecnologie radio
da impiegare possono essere meno costose. I
contesti applicativi più tipici ricadono nello
Scenario A). D’altra parte le ampiezze di banda
disponibili sono inferiori (ad es. meno di 200 MHz
nella porzione di spettro centrata su 2,6 GHz), e,
solitamente, permane il vincolo della collocazione
in linea di vista fra le antenne. Anche per l’MMDS,
o per sistemi operanti, in altri paesi, su zone di
spettro vicine (ad esempio il 3,5 GHz), non si è sviluppato uno standard, e non si sono sviluppati
mercati significativi.
Nel Marzo del 1999, per sopperire alla mancanza di uno standard per l’LMDS, e con l’obiettivo di creare le basi per lo sviluppo del mercato
del BWA, l’IEEE 802 Standard Committee crea il
Wo r k i n g G r o u p I E E E 8 0 2 . 1 6 “ o n B r o a d b a n d
Wireless Access Standards” [9]. L’ obiettivo del
nuovo WG era “to develop standards and recommended practices to support the development and
deployment of fixed broadband wireless access
systems”, con focalizzazione precisamente sulla
banda 28-31 GHz allocata dalla FCC. Da allora il
WG ha svolto un notevole lavoro, cambiando in
realtà il proprio target in funzione del mutamento
progressivo delle percezioni delle potenzialità del
mercato, e sviluppando specifiche per sistemi
molto diversi fra loro, come sarà illustrato nel
paragrafo successivo. Una caratteristica tecnologica distintiva dei sistemi studiati dal WG IEEE
802.16 è l’adozione, per la trasmissione radio, di
modulazioni di tipo OFDM (Orthogonal Frequency
D i v i s i o n M u l t i p l e x i n g ) . L’ i d e a f o n d a m e n t a l e
dell’OFDM (si veda il riquadro di approfondimento
“La tecnica OFDM”) consiste nello scomporre il
flusso dei dati da trasmettere in più sotto-flussi
trasmessi in parallelo mediante un insieme di portanti con spaziatura in frequenza tale da non avere
interferenza mutua tra i flussi (ortogonalità tra le
portanti, multiplex a divisione di frequenza).
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LA TECNICA OFDM
mente
piccola,
ovvero se N è
G (f)
1.2
grande) e quindi la
funzione di equaliz1
zazione risulta non
necessaria
o
0.8
comunque molto
0.6
semplificata.
Un tipico canale
0.4
distorcente sul collegamento radio si
0.2
ha in presenza di
0
“cammini multipli”
dovuti a riflessioni
-0.2
delle onde radio,
fT
-0.4
che determinano in
-2
-1
0
1
2
3
4
5
ricezione “echi”
Grazie alla particolare spaziatura di frequenza adottata
(ortogonalità), i massimi di ciascuna sottoportante corritardati tra loro nel
rispondono a zeri di tutte le altre, agevolando i processi
tempo. In questo
di riconoscimento del segnale al ricevitore.
caso la durata del
simbolo
OFDM
(blocco di N simboli FIGURA A› Esempio di segnale OFDM in frequenza con 4 sottoportanti
d ’ i n f o r m a z i o n e ) (www.elet.polimi.it/upload/tartara/Sistemicomunicazione/ofdm.pdf).
dovrà essere scelta
Si osservi che la frazione di tempo
molto maggiore del massimo ritardo
allocato per eliminare l’effetto di
relativo tra gli echi (τ, delay-spread).
delay-spread (τ/Ts) è più piccola di
In queste condizioni inoltre, per man-
Nei sistemi di telecomunicazioni digitali ad elevato bit rate uno dei maggiori problemi è costituito da canali di
trasmissione che presentano una
risposta in frequenza ampiamente
variabile all’interno della banda relativamente larga del segnale. I sistemi di
modulazione basati sulla multiplazione a divisione di frequenza ortogonale OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) forniscono una
efficace soluzione a questo problema.
Essi suddividono il flusso informativo
(R bit/s) in N flussi da trasmettere in
parallelo, modulando (con una tecnica
di modulazione tradizionale) altrettante sottoportanti equispaziate in
frequenza con spaziatura ∆f (multiplex
a divisione di frequenza). La relazione
di ortogonalità (figura A) tra le sottoportanti, ottenuta imponendo che la durata Ts =
N/R dei simboli trasmessi
sulle sottoportanti sia
Channel Bandwidth = B
legata alla spaziatura in
FFT
N Sub-carriers
frequenza delle sottoportanti dalla relazione
Guard Interval = τ
∆f=1/Ts, consente di annul••
Symbol Period = Ts
lare (in teoria) l’interfeFrequency
renza mutua tra i diversi
flussi ISI (Interferenza
InterSimbolica) all’atto
••
della demodulazione del
segnale ricevuto. L’unità
Time
ricevente elabora separatamente i segnali associati
FFT = Fast Fourier Transform
a ciascuna sottoportante
per ricostruire poi l’intera
FIGURA B› Rappresentazione tempo-frequenza del segnale OFDM.
sequenza dei dati della
sorgente.
(www.alcatel.com/com/en/appcontent/apl/A0506-4G_Mobile-EN_tcm172-262201635.pdf)
In presenza di canali di trasmissione molto distorun fattore pari a N rispetto ad un
tenere l’ortogonalità delle sottoporcenti, se si trasmette l’intero flusso R
sistema con modulazione a portante
tanti (quindi l’assenza di interferenza
su un’unica portante occupando una
singola tradizionale. Questo perché
intersimbolica tra successivi simboli
banda B, si determinano forti interfela durata del simbolo OFDM (Ts) è N
OFDM) e facilitare la sincronizzazione
renze e distorsioni ed è quindi necesvolte maggiore rispetto alla durata
di simbolo al ricevitore, si inserisce
saria una complessa equalizzazione di
del simbolo di un sistema a portante
tra un simbolo ed il successivo un
canale. Trasmettendo invece gli N
singola, a parità di rate R; quindi l’efintervallo di guardia nel quale si traflussi ciascuno a velocità R/N in N
ficienza di trasmissione di un sistema
smette un’estensione ciclica del simsottobande di larghezza ∆f=B/N, in
OFDM è maggiore rispetto a quella
bolo OFDM stesso (cyclic prefix), di
prima approssimazione la funzione di
ottenibile con un sistema a portante
durata almeno uguale a τ. Una rappretrasferimento di canale per ciascuna
singola in presenza di cammini multisentazione tempo-frequenza del
sottobanda può essere considerata
pli. È interessante rilevare che con la
segnale OFDM è riportata in figura B.
non distorcente (se ∆f è sufficiente-
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tecnica OFDM, in linea di principio,
ciascuna sottoportante può essere
modulata in modo diverso, utilizzando una modulazione numerica a
più livelli (per esempio di tipo QAM
se di ampiezza o QPSK se di fase): le
sottoportanti soggette a maggior
disturbo possono essere modulate
utilizzando schemi particolarmente
robusti (come, ad esempio, QPSK),
mentre quelle meno esposte possono
essere modulate con schemi più efficienti spettralmente (come ad esempio 64 QAM).
Un vantaggio essenziale dell’OFDM,
come dimostrato da S.B. Weistein e
P.M. Ebert nel 1971 [17], è che il
segnale può essere costruito utilizzando l’operazione di IFFT (Inverse
Fast Fourier Transform) in trasmissione e di FFT in ricezione, operazioni che possono oggi essere realizzate praticamente con economiche
tecniche digitali DSP (Digital Signal
Processing). L’FFT è caratterizzata
dal parametro N, che nella pratica
viene fatto coincidere con il numero
di sottoportanti utilizzato per la trasmissione. All’aumentare del numero
N di sottoportanti impiegate, si
riduce la spaziatura in frequenza fra
sottoportanti, e lo spettro complessivo del segnale risultante è più
“compatto” (maggior efficienza).
D’altra parte, se N aumenta, diminuisce anche il data rate con cui viene
modulata ogni sottoportante, diminuendo di conseguenza l’occupazione di banda di ognuna di esse, ma
aumenta la complessità computazionale delle operazioni di FFT e IFFT
(secondo una legge di tipo N log 2 N).
Valori pratici usati sono ad esempio
N=256, N=1024, N=2048.
•
L’ OFDMA
La tecnica OFDM può essere utilizzata sia come semplice tecnica di
modulazione, sia come tecnica di
accesso multiplo a divisione di frequenza
OFDMA
(Orthogonal
Frequency Division Multiple Access),
anche in combinazione con altre tecniche d’accesso, quali TDMA (Time
Division Multiple Access) e CDMA
(Code Division Multiple Access).
Secondo la tecnica OFDMA, un
numero elevato di sottoportanti (fino a
2048) viene ripartito tra un numero più
ristretto di sottocanali, come avviene
con la tecnica del sub-channeling.
Ciascun sottocanale utilizza quindi un
sottoinsieme delle portanti disponibili
e diversi sottocanali possono essere
utilizzati allo stesso tempo da differenti terminali; la tecnica è applicabile
sia in downlink che in uplink, sebbene
l’uso più frequente sia certamente in
uplink a causa della minore capacità
trasmissiva richiesta.
L’uso di tale tecnica aggiunge quindi
un ulteriore grado di flessibilità nella
distribuzione di risorse tra i diversi
terminali; basti pensare che, nello
stesso istante, è possibile trasmettere
canali con modulazione, codifica e
ampiezza diversi e adattati alle particolari condizioni di propagazione esistenti tra la stazione base e ciascun
terminale. Permangono anche in questo caso i vantaggi per la tecnica del
sub-channeling, in particolare la possibilità di aumentare il guadagno di
sistema, a parità di potenza trasmessa, al prezzo di una minore
capacità per singolo collegamento. Si
osservi che le sottoportanti che costituiscono ciascun sottocanale vengono normalmente distanziate in
L’OFDM, vantaggioso in particolare sui canali di
trasmissione molto distorcenti, è una tecnica conosciuta fin dagli anni Cinquanta, ma è diventata
popolare solo dopo il 2000, quando sono comparsi
sul mercato microprocessori di costo contenuto
capaci di eseguire le complesse e numerose operazioni che tale tecnica richiede. Sono state in
seguito proposte alcune varianti dell’OFDM, e,
come vedremo, questo è uno degli ostacoli all’affermazione nel mercato di una soluzione “unica”
per il BWA.
Il panorama delle possibili soluzioni per il BWA
comprende numerosi altri sistemi, alcuni molto
interessanti. In particolare, l’evoluzione dei sistemi
radiomobili ha portato alla definizione di tecniche
capaci di fornire accessi wireless a bit rate cre-
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modo da cadere in zone diverse dello
spettro del canale e minimizzare perciò l’effetto di distorsioni localizzate
dello spettro.
•
Varianti dell’OFDM
Fra le numerose varianti dell’OFDM,
vanno citate in particolare lo
Scalable-OFDMA (S-OFDMA) ed il
Flash-OFDM. Nell’S-OFDMA, viene
mantenuto costante lo spazio fra le
sottoportanti al variare della banda
del canale (che ad es. negli standard
IEEE 802.16, può assumere valori fra
1,25 MHz e 20 MHz) variando il parametro N della FFT (e di conseguenza il
numero di sottoportanti utilizzate).
Questa tecnica consente una ottimizzazione delle prestazioni, in particolare in applicazioni di mobilità. La tecnica Flash-OFDM consiste invece in
una combinazione della tecnica
OFDM con la tecnica Frequency
Hopping Spread Spectrum (FH-SS): le
sottoportanti utilizzate da ciascun
sottocanale non sono fisse, ma assegnate simbolo per simbolo secondo
uno schema pseudo-casuale tra tutte
quelle che costituiscono l’intero
canale. Sottocanali diversi utilizzano
sequenze pseudo-casuali differenti in
modo da realizzare un accesso di tipo
a divisione di codice (CDMA) sull’insieme delle sottoportanti OFDM. Ciò
consente di ottenere alcuni benefici,
quali quelli derivanti dalla diversità di
frequenza e dalla distribuzione delle
interferenze tra tutti i sottocanali
(ogni sottocanale infatti non è vincolato a un determinato insieme di sottoportanti, ma le usa tutte in un certo
intervallo di tempo).
scenti; fra tutti vanno ricordati HSDPA (High Speed
Downlink Packet Access) e il correlato HSUPA, un
upgrade dell’interfaccia radio dell’UMTS concepita
per supportare servizi packet-based a larga banda
multimediali [10]. Questi sistemi, essendo capaci di
supportare la mobilità piena dei terminali, sono
idonei per lo Scenario “D”. La specifica focalizzazione sulla mobilità è anche la caratteristica distintiva del WG IEEE 802.20 “Mobile Broadband
Wireless Access (MBWA)”, istituito nel dicembre
2002 dall’IEEE Standards Board [11]. A differenza
del WG 802.16, il MBWA ha incontrato limitati consensi e notevoli difficoltà; ciononostante esistono
sistemi proprietari, non distanti da quanto allo studio nell’802.20, che hanno trovato un proprio spazio nel mercato.
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3. Standard e
Regolamentazione
Gruppo IEEE
802.11 WLAN
Responsabilità
Sviluppo di standard per i sistemi radio per reti locali
I gruppi di lavoro che,
802.15 WPAN - Bluetooth
Sviluppo di standard per sistemi per comunicazioni personali a corto raggio
nell’ambito di enti di norma802.16 WMAN
Definizione di sistemi radio a larga banda per aree metropolitane
tiva o nell’ambito di organiz802.18 Radio Regulatory
Monitoraggio degli aspetti di regolamentazione dell’uso dello spettro
zazioni industriali, operano
TAG
radio in ambito ITU, Nord Americano (FCC, NTIA), Europeo (CEPT, ETSI)
e Giapponese (ARIB)
per lo sviluppo dei sistemi di
802.19 Coexistence TAG
Sviluppo e analisi delle problematiche di coerenza tra le norme in corso
accesso wireless a larga
di definizione in ambito IEEE 802 e la compatibilità con le norme
banda sono molteplici. Tra
esistenti e con quelli in via di definizione presso altri Enti di
standardizzazione
questi i più importanti sono
802.20 Wireless Mobility
Sviluppo di uno standard che definisca il livello fisico e il livello MAC
l’IEEE 802.16, il WiMAX
(MBWA)
(Medium Access Control) di un sistema mobile a larga banda
Forum e l’ETSI BRAN, oltre
802.21
Handover/
Definizione delle norme per abilitare l’handover e l’interoperabilità tra
ai quali vanno considerati
Interoperability
reti eterogenee incluse sia le reti realizzate in accordo con le norme
IEEE 802 sia con quelle non IEEE 802
alcuni altri gruppi, elencati
802.22 Cognitive Wireless Sviluppo di un nuovo standard per le Cognitive Wireless Regional Area
nella tabella 1, che lavorano
Networks destinato a operare senza licenza radio, in modo
Regional Network
su tematiche connesse, cioè
non-interferente nei canali televisivi non utilizzati
i gruppi IEEE 802.18,
802.19, 802.20 e 802.21.
IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers
ITU = International Telecommunication Union
L’IEEE 802.18 si occupa
MBWA = Mobile Broadband Wireless Access
del monitoraggio della norWLAN = Wireless LAN
WPAN = Wireless Personal Area Network
mativa internazionale e della
regolamentazione dell’uso
dello spettro radio, e coor- TABELLA 1› Gruppi di standardizzazione per i sistemi radio del IEEE.
dina l’attività dei diversi
Gruppi IEEE rispetto agli altri
Organismi di standardizzazione internazionali e regionali.
rete a un’altra senza caduta delle comunicazioni
L’IEEE 802.19 esamina gli aspetti legati alla
(handover tra reti eterogenee). I sistemi considerati
compatibilità tra gli standard in via di definizione in
sono quelli wired con interfaccia Ethernet, i sistemi
ambito IEEE 802; al momento sta preparando una
IEEE 802.11, 802.15, 802.16 e, in prospettiva, i
norma relativa ai criteri per valutare la coesistenza
sistemi IEEE 802.20, e le reti mobili definite dai
di sistemi che utilizzano le stesse bande di freGruppi 3GPP e 3GPP2. L’MIHF utilizza le informaquenza. Questi due Gruppi trattano argomenti tipizioni presenti a livello del protocollo LLC (Link
camente affrontati da organismi preposti alla regoLayer Control) e scambia informazioni con i due
lamentazione dello spettro radio (quali l’ITU-R a
livelli inferiori - MAC e fisico - degli standard IEEE
livello internazionale, i Gruppi CEPT a livello
802 per determinare quando è necessario eseguire
Europeo e l’FCC negli Stati Uniti), Enti che pubblila procedura di handover (figura 2). Analogamente
cano le normative trasformate poi in Leggi
(figura 3) per i sistemi cellulari la funzione MIHF si
Nazionali, mentre i Gruppi IEEE possono definire
va ad aggiungere alle funzionalità già presenti.
linee guida, ma non hanno titolo per definire la
3.1 Il Gruppo di standardizzazione IEEE 802.16
regolamentazione dello spettro radio.
L’IEEE 802.20 MBWA (Mobile Broadband
In ambito IEEE le specifiche tecniche dei
Wireless Access) si propone di sviluppare uno
sistemi BWA sono definite nel Working Group IEEE
standard a livello fisico e MAC (Medium Access
802.16 “Wir elessMAN Standard for Wir eless
Control) di un’interfaccia in aria da impiegare con i
Metropolitan Area Networks”. Il Gruppo, nell’ottosistemi mobili operanti nelle bande di frequenza
bre 2004 ha approvato lo standard IEEE 802.16sotto i 3,5 GHz. La normalizzazione è ottimizzata
2004 [12] che aggiorna e completa una serie di
per il trasporto di dati IP con bit rate di picco per
standard prodotti negli anni precedenti:
utente fino a 1 Mbit/s e per diverse classi di mobi• IEEE Standard 802.16-2001, la prima versione
lità veicolare fino a velocità di 250 km/h.
delle specifiche del sistema;
Il Gruppo prevede l’approvazione della norma
• IEEE Standard 802.16a-2003 emendamento
per la fine del 2006, ma le attività stanno procedella versione 2001 con l’inserimento dei
dendo a rilento, ed il livello di consenso raccolto
sistemi che operano nelle bande di frequenza
non pare al momento confrontabile con quello
da 2 a 11 GHz;
dell’IEEE 802.16. Gli studi sono stati finora indiriz• IEEE Standard 802.16c-2002 ulteriore modifica
zati alla definizione del modello del canale radio,
della versione 2001 con inclusione dei sistemi
alla scelta del modello di traffico e alla scelta della
che operano nelle bande di frequenza da 10 a
tecnologia da adottare.
66 GHz;
Un altro Gruppo che ha lo scopo di definire
• IEEE Draft P802.16d aggiornamento delle vermeccanismi per il supporto della mobilità, è l’IEEE
sioni 802.16 2001 e 802.16°, con aggiunta dei
802.21. Esso persegue l’obiettivo di standardizzare
profili dei sistemi operanti nella banda di frefunzioni denominate MIHF (Media Independent
quenza 2-11 GHz.
Handover Function), necessarie per passare da una
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
Il Gruppo ha definito le
seguenti norme:
•
HiperLAN/2
(High
Perfor mance Local Ar ea
Network): Sistema WLAN;
MIH Signaling
MIH Function
MIH Function
•
HiperMAN
(High
LLC
Function
Performance Metropolitan
Area Network): Sistema ad
LLC Function
alta capacità operante nelle
bande di frequenza sotto gli
MAC Function (802.xx)
MAC Functions (802.xx)
11 GHz;
• HiperACCESS (High
Perfor mance
Access
PHY Function (802.xx)
PHY Functions (802.xx)
Network): Sistema ad alta
capacità operante nelle
bande di frequenza maggiori
Station Functional Entity
Network Functional Entity
di 11 GHz.
Le normative HiperMAN
MAC = Medium Access Control
MIH = Media Independent Handhover
e HiperACCESS, e quelle
LLC = Logical Link Control
IEEE 802.16-2004, sono tra
loro molto simili, come indiFIGURA 2› Modello di riferimento IEEE 802.21 per l’handover tra sistemi IEEE 802.
cato nella tabella 2. Le differenze tra di esse sono principalmente dovute al fatto
che gli standard europei
Data
Mgmt L3 App
Mgmt L3 App
generalmente includono un
numero minore di opzioni
rispetto a quelle previste
MIH Signaling
negli standard IEEE 802.16,
MIH Function
MIH Function
soprattutto se non compatibili con alcune precedenti
norme europee. La differenza fondamentale però
Cellular Subsystem Function
Cellular Subsystem Function
riguarda la versione IEEE
802.16e, in quanto in ETSI il
gruppo BRAN non può defiStation Functional Entity
Network Functional Entity
nire standard di sistemi che
MIH = Media Independent Handhover
supportano la mobilità
(competenza del 3GPP). A
questo punto le strade tra i
FIGURA 3› Modello di riferimento per l’handover tra sistemi IEEE 802 e reti cellulari.
due gruppi si dividono,
anche se vi è il tentativo di
includere almeno le specifiAl momento il gruppo sta lavorando alla estenche di livello fisico del sistema 16e, quali la modusione IEEE 802.16e [13] per il supporto della mobilazione OFDMA, negli standard BRAN. D’altra parte
lità; l’approvazione è avvenuta a dicembre 2005.
L’attività di standardizzazione del sistema IEEE
802.16-2004 si è svolta in collaborazione con il
ETSI
Bande di frequenza impiegabili
IEEE 802.16
gruppo ETSI BRAN, descritto nel seguito. Inoltre si
HiperACCESS
10-66 GHz
Wireless
MAN-SC
deve ricordare che il sistema IEEE 802.16 è anche
<11 GHz in bande autorizzate
Wireless MAN-SCa
impropriamente conosciuto con il nome di sistema
WiMAX, in quanto adottato come riferimento dal
<11 GHz in bande autorizzate
Wireless MAN-OFDM HiperMAN
WiMAX Forum. Le caratteristiche tecniche del
<11 GHz in bande autorizzate
Wireless MAN-OFDMA
sistema IEEE 802.16 sono descritte nel paragrafo 4.
L3
App
Mgmt
L3
App
PHY
802.yy
802.yy
802.yy
PHY
MAC
Mgmt
MAC
Data
Wireless HUMAN
3.2 Il Gruppo di standardizzazione ETSI BRAN
Il Gruppo ETSI BRAN (Broadband Radio Access
Network), che ha iniziato la sua attività nel 1998, è
responsabile della standardizzazione delle norme
relative ai sistemi radio a larga banda incluse
quelle sugli aspetti regolatori, i protocolli di basso
livello (fisico, MAC, DLC), l’architettura e le interfacce di rete.
76
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
ETSI
HUMAN
IEEE
MAN
OFDM
OFDMA
SC, SCa
=
=
=
=
=
=
=
<11 GHz in bande libere
European Telecommunications Standard Institute
High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network
Institute of Electrical and Electronic Engineer
Metropolitan Area Network
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Single Carrier
TABELLA 2› Relazioni tra standard IEEE 802.16 e ETSI BRAN.
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
va ricordato che la regolamentazione Europea sull’uso dello spettro radio, prodotta dalla CEPT, fa
sempre e solo riferimento alle normative ETSI.
Le caratteristiche tecniche del sistema ETSI
BRAN in confronto con lo standard IEEE 802.16
sono riportate nel paragrafo 4.
3.3 Il forum WiMAX
Fondato nel giugno del 2001, il “Worldwide
Interoperability for Microwave Access (WiMAX)
Forum” è un’organizzazione no profit che comprende oltre 350 società interessate allo sviluppo
ed all’utilizzo di apparati e reti wireless a banda
larga. Il Forum ha l’obiettivo di promuovere il marchio WiMAX e di certificare e garantire l’interoperabilità dei sistemi basati sugli standard IEEE 802.16
e ETSI HIPERMAN.
Il Forum è organizzato nei principali seguenti
sottogruppi:
• Service Provider Working Group (SPWG): ha lo
scopo di stabilire una piattaforma per i Service
Provider. Inoltre ha la responsabilità di definire i
requisiti per l’architettura di rete dietro il
sistema IEEE 802.16, i modelli di business per i
prodotti certificati WiMAX Forum e le funzionalità per i futuri sistemi IEEE802.16.
• Network Working Group (NWG): ha lo scopo di
creare le specifiche di rete per il sistema
WiMAX fisso, nomadico e mobile, in aggiunta a
quanto è definito dallo standard IEEE 802.16. Il
gruppo definisce le specifiche di Stage 2 e
S t a g e 3 , b a s a t e s u i re q u i s i t i p ro d o t t i d a l
gruppo Service Provider Working Group. Il
NWG ha quindi lo scopo di definire l’architettura di rete Core per la soluzione stand-alone,
di interlavoro con i sistemi definiti dal 3GPP,
3GPP2 e TISPAN.
• Regulatory Working Group (RWG): ha lo scopo
di monitorare e coordinare le azioni dei partecipanti da/verso gli enti di regolamentazione
regionali, quali l’ITU, la CEPT, il FCC, l’ETSI,
l’ANSI ed altri, al fine di assicurare un’armonizzazione delle regolamentazioni inerenti il
sistema WiMAX. Inoltre ha lo scopo di agire al
fine di abilitare il roaming globale per gli apparati WiMAX nomadici e mobili, e di supportare
l’evoluzione fisso-mobile.
• Sub 11 GHz Technical Working Group (TWG): ha
lo scopo di sviluppare le specifiche di conformità e di interoperabilità (test list, test suite,
radio conformance test), di definire i requisiti di
rete e delle applicazioni per i futuri servizi ed
interoperabilità.
• Application Working Group (AWG): ha lo scopo
di caratterizzare e dimostrare soluzioni best
practice di applicazioni e di effettuare confronti
con le tecnologie alternative al fine di evidenziare le capacità del sistema WiMAX.
• Marketing Working Group (MWG): ha lo scopo
di pubblicizzare e diffondere la conoscenza del
sistema WiMAX. Si tratta del gruppo che
“vende” il marchio WiMAX.
• Certification Working Group (CWG): ha lo scopo
di valutare le opzioni di test, raccomandare i
Testing Lab da selezionare e gestire le relazioni
con essi, gestire il programma di certificazione
del WiMAX Forum, recepire i documenti prodotti
dal Technical Group.
Il processo di definizione degli standard può
essere schematizzato come segue:
• Il gruppo SWG definisce i requisiti per il sistema
(Stage 1);
• Il gruppo Regulatory si interfaccia verso gli altri
enti di regolamentazione al fine di portare la
visione WiMAX e di agire per influenzare le
scelte legate alla regolamentazione dello spettro radio;
• I gruppi TWG e CWG cooperano per la definizione dei parametri da includere nei profili e per
l’affinamento delle specifiche IEEE802.16 al fine
di migliorarne le prestazioni, per esempio scegliendo tra i parametri opzionali alcuni valori e
definendo alcuni di essi obbligatori per uno
specifico profilo;
• Il gruppo Network definisce le architetture ed i
protocolli del sistema (Stage 2 e Stage 3).
Il WiMAX Forum ha sviluppato un proprio programma di testing e certificazione che, dalla
seconda metà del 2005, si avvale dei laboratori
Cetecom a Malaga (Spagna), prescelti come primi
laboratori ufficiali di certificazione.
Standalone PWLAN MSO/
WiMAx
WISP
Cable
DSL
3GPP
3GPP2 NGN
Fixed
Nomadic
Portable
Simple
Mobility
Full
Mobility
Obiettivi della Release-1
Obiettivi fuori della Release-1
• Interlavoro non garantito fra WiMAX standalone e altre reti
3GPP
3GPP2
DSL
MSO
NGN
PWLAN
WISP
=
=
=
=
=
=
=
Third Generation Partnership Project
Third Generation Partnership Project 2
Digital Subscriber Line
Mobile Service Operator
New Generation Network
Public WLAN
Wireless Internet Service Provider
FIGURA 4› Scopo della Release 1.0 di WiMAX.
Il WiMAX Forum al momento prevede di produrre 2 versioni successive delle specifiche. Lo
scopo della Release 1.0 (figura 4), per la quale l’ultimazione dello Stage 3 è prevista entro il primo trimestre 2006, è la definizione di una architettura di
rete WiMAX per un sistema a standard IEEE
802.16-2004, idoneo per la successiva sostituzione
con il sistema IEEE 802.16e, il supporto di servizi
fissi e nomadici e l’interlavoro con altre reti. Il
sistema WiMAX Rel.1.0 permetterebbe di realizzare
i seguenti scenari di rete:
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
• WiMAX IEEE 802.16-2004 stand-alone senza
Core network (ovvero comprendente il solo
sistema radio), con:
- Accesso “fisso” (xDSL-like, WLAN-like)
- Nomadicità (WLAN-like)
• WiMAX IEEE 802.16-2004 stand-alone con Core
network WiMAX:
- Accesso “fisso” (xDSL-like, WLAN-like)
- Nomadicità (WLAN-like)
- Mobilità limitata (< 90 Km/h) per mezzo di
Mobile IP
• WiMAX IEEE 802.16-2004 con Core network
3GPP
- Integrazione con rete mobile con supporto
alla Nomadicità (riuso soluzione 3GPP per
interlavoro WLAN con rete mobile).
I contenuti della Release 2.0 non sono ancora
definiti chiaramente: genericamente si prevede che
tale versione conterrà ciò che non potrà essere
incluso nella Release 1.0
3.4 Regolamentazione dello spettro radio
Per quanto riguarda le bande di frequenza di
interesse per i sistemi WiMAX la situazione è in
evoluzione. Il sistema WiMAX a standard IEEE
802.16-2004 può lavorare nella bande di frequenza
tra 2 GHz e 11 GHz, ma l’interesse è principalmente per le bande 3,5 GHz e 5,8 GHz, mentre
per quanto riguarda il sistema mobile IEEE
802.16e, l’interesse sembra essere verso le bande
assegnate o candidate per l’evoluzione dei sistemi
IMT-2000, ovvero 3G e super 3G.
La banda dei 3,5 GHz è stata assegnata da
tempo, in Europa ed in gran parte del resto del
mondo, ai sistemi radio fissi. In Italia, il Piano
Nazionale delle Frequenze datato luglio 2005 mantiene l’assegnazione della banda di frequenze 3,43,6 GHz per servizi fissi, e l’Ente gestore è il
Ministero della Difesa. Per permettere la conduzione di sperimentazioni tecniche del sistema
WiMAX, il Ministero delle Comunicazioni ha ottenuto, in alcune aree del territorio nazionale, la concessione temporanea di alcuni canali radio. A termine delle sperimentazioni, il processo che
potrebbe portare all’utilizzo della banda per scopi
commerciali deve tipicamente prevedere una
Consultazione pubblica per la raccolta delle indicazioni da parte dei soggetti interessati, la definizione
della regolamentazione per l’uso dello spettro recependo le direttive europee, la fissazione dei criteri
di assegnazione delle frequenze ed infine l’ottenimento della cessione in via definitiva della banda
da parte del Ministero della Difesa. La situazione
altrove è più semplice: ad esempio in Francia ed in
Austria è già prevista la concessione di licenze per
utilizzi commerciali.
Il Gruppo di standardizzazione europeo per la
regolamentazione dello spettro radio ERO (European
Radiocommunications Office) è l’ufficio permanente
di supporto dell’Electronic Communications
Committe (ECC) del gruppo CEPT (European
Conference of Postal and Telecommunications
Administrations). ECC unisce le Autorità per la rego-
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NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
lamentazione dei 46 Paesi membri del CEPT, tra cui
l’Italia. Il gruppo CEPT ha il mandato di definire, fra le
altre, le Raccomandazioni e le Decisioni riguardanti
l’uso dello spettro radio (regole di utilizzo, metodi di
assegnazione, definizione degli standard a cui
devono sottostare i sistemi radio per poter essere
usati nella banda di frequenza in oggetto) che sono
poi recepite dalle Direttive della Comunità Europea e
dalle normative nazionali.
Al momento della stesura dell’articolo è in corso
di approvazione pubblica la nuova versione della
ECC Recommendation (04)05 “Guidelines for accomodation and assignment of Multipoint Fixed wireless system in frequency bands 3.4-3.6 GHz and
3.6-3.8 GHz”.
I punti principali della raccomandazione sono l’indicazione di criteri di assegnazione di blocchi di frequenza contigui di almeno 28 MHz per operatore, la
definizione di alcuni criteri per la coesistenza di
sistemi Time Division Duplex (TDD) e Frequency
Division Duplex (FDD), e soprattutto la limitazione
della potenza in termini di EIRP a +23 dBW/MHz per
la stazione Master, a +20 dBW/MHz per la stazione
periferica esterna e a +12 dBW/MHz per la stazione
indoor. Comunque, la potenza massima all’ingresso
dell’antenna non può superare i 13 dBW.
È importante rilevare che per il sistema WiMAX
mobile, come per ogni altro sistema che offra mobilità, le bande possibili sono quelle assegnate ai servizi mobili, vale a dire ai sistemi definiti, per esempio, come IMT-2000 da parte dell’ITU-R. La tecnologia IEEE 802.16e non è al momento riconosciuta
come sistema IMT-2000; pertanto, per poter essere
utilizzata commercialmente, è necessaria una modifica dell’attuale quadro normativo/regolamentare.
Le possibilità in corso di discussione presso i vari
enti di standardizzazione internazionale sono:
• riconoscimento di IEEE 802.16e come sistema
IMT-2000; in tal caso anche la nuova tecnologia
potrebbe essere utilizzata nelle bande oggi
assegnate ai sistemi mobili;
• definizione delle bande di frequenze per i
sistemi mobili come “tecnologicamente neutrali”, il che comporterebbe che l’operatore
possa scegliere quale tecnologia utilizzare, indipendentemente dalla conformità ad uno specifico standard;
• confluenza o armonizzazione del sistema IEEE
802.16e con le specifiche in corso di discussione
in 3GPP relativamente ai sistemi mobili di prossima generazione Long Term Evolution (LTE).
Al momento non si è avuta nessuna decisione
finale, anche se vi sono forti ostacoli a modificare il
presente status quo.
4. Tecnologia
4.1 Caratteristiche principali del sistema IEEE
802.16/ETSI BRAN
La tabella 3 riporta le caratteristiche principali
dei sistemi definiti dagli standard IEEE 802.16 ed
ETSI BRAN. Questi standard definiscono al
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
L’ u s o d i a n t e n n e d i r e t t i v e ,
caratterizzate da un elevato guad a g n o , c o n s e n t e i n g e n e re d i
migliorare le prestazioni di un
BPSK
Wireless MAN-SC
ATM
4-QAM
32-132
TDD/FDD
25; 28
HiperACCESS
(obbligatoria)
sistema radio sia per effetto di una
16-QAM
IP (obbligatoria)
64-QAM
maggior potenza del segnale utile
ricevuto, sia per la maggior atteBPSK
ATM
4-QAM
TDD/FDD/
3,5; 7; 10;
nuazione che incontrano i segnali
Wireless MAN-SCa
32-132
(obbligatoria)
16-QAM
H-FDD
20
IP (obbligatoria)
64-QAM
interferenti (dovuti a riflessioni nel256-QAM
l’ambiente di propagazione o ad
BPSK
Wireless MAN-OFDM
altri sistemi operanti nelle viciATM (opzionale)
4-QAM
1,75; 3,5;
1-26
TDD/FDD
Hiper-MAN
IP (obbligatoria)
16-QAM
7; 3; 5,5
nanze). I sistemi di antenna adat64-QAM
tativi AAS (Adaptive Antenna
BPSK
ATM (opzionale)
1,25; 3,5;
4-QAM
Systems) consentono di modifi1-76
Wireless MAN-OFDMA
TDD/FDD
IP (obbligatoria)
7; 14; 28
16-QAM
care elettronicamente la direzione
64-QAM
di massimo guadagno dell’anBPSK
Wireless HUMAN-OFDM
ATM
(opzionale)
4-QAM
tenna in modo da indirizzare il
TDD/FDD
8-74
10; 20
Wireless HUMAN-OFDMA
IP (obbligatoria)
16-QAM
lobo principale nella direzione
64-QAM
voluta, quella cioè verso cui si
* La velocità di cifra di ogni singolo canale indicate sono valutate con la modulazione a minor numero
intende trasmettere o da cui si
di livelli nel caso di canale a larghezza minima, e con quella a maggior numero di livelli
per una larghezza di canale massima.
vuole ricevere. Inoltre sistemi più
ATM = Asynchronous Transfer Mode
OFDM = Orthogonal Frequency Division
avanzati, da utilizzare presso le
BPSK = Binary Phase Shift Keying
Multiplexing
FDD = Frequency Division Duplexing
OFDMA = Orthogonal Frequency Division
stazioni base, possono generare
H-FDD = Half Duplex-FDD
Multiple Access
più lobi e indirizzarli in direzioni
=
=
HUMAN High speed Unlicensed MAN
QAM Quadrature Amplitude Modulation
MAN = Metropolitan Area Network
SC = Single Carrier
diverse per consentire la riceTDD = Time Division Duplexing
zione/trasmissione contemporanea da/verso differenti terminali
TABELLA 3› Caratteristiche principali dei sistemi a standard IEEE 802.16/ETSI BRAN.
d’utente, minimizzando al tempo
stesso i segnali interferenti.
Meccanismi di diversità in tramomento cinque diversi sistemi, tra loro incompatismissione e in ricezione possono essere utilizzati
bili. Per ogni sistema, inoltre, alcune caratteristiche
per aumentare l’affidabilità e le prestazioni del colprincipali (in particolare la tecnica di duplexing, la
legamento radio in presenza di canali con interfemodulazione, la canalizzazione, la tecnica di trarenza causata da riflessioni multiple (multipath),
sporto) possono variare, introducendo quindi un
come generalmente avviene in assenza di visibilità
certo numero di profili di sistema. Si descrivono di
diretta tra stazione base e terminale. In trasmisseguito le principali caratteristiche tecniche dei
sione lo standard IEEE 802.16-2004 prevede come
sistemi radio IEEE 802.16 ed ETSI BRAN.
opzionale un meccanismo STC (Space Time
La tecnica di duplexing definisce come avviene
Coding), che consiste nell’emissione di segnali
la trasmissione nei due versi downlink (da stazione
opportunamente codificati da parte di più antenne
base a terminale) e uplink (da terminale a stazione
trasmittenti in modo che la loro ricezione combibase). In sistemi che funzionano secondo la tecnata attraverso una o più antenne riceventi dia un
nica TDD vengono allocate porzioni di tempo difvantaggio rispetto ai sistemi tradizionali con sinferenti per la trasmissione nei due versi sullo
gola antenna.
stesso canale radio. In sistemi che funzionano
In ricezione, i sistemi con diversità combinano
secondo la tecnica FDD viene invece allocato un
opportunamente i segnali provenienti da più
canale radio per la trasmissione downlink e un difantenne riceventi (adeguatamente distanziate) in
ferente canale radio per la trasmissione uplink.
modo da minimizzare l’effetto della propagazione
Con la tecnica FDD la stazione base e i terminali
multipath (si veda il riquadro “Antenne MIMO”).
possono quindi ricevere e trasmettere contempoUna delle caratteristiche principali dei sistemi
raneamente (modalità full-duplex); tuttavia le staWiMAX è la possibilità di funzionare in condizioni
zioni terminali possono, in alternativa, funzionare
di NLOS grazie soprattutto all’uso della tecnica
in modalità half-duplex per una minore complesOFDM (Orthogonal Frequency Division
sità (per esempio, le parti di elaborazione digitale
Multiplexing) (si veda il riquadro omonimo).
del segnale possono essere condivise tra trasmetGli errori di decodifica introdotti dalla presenza
titore e ricevitore). Si noti che, mentre alcuni dei
di sottoportanti eccessivamente attenuate posprofili WiMAX prevedono entrambe le tecniche di
sono essere eliminati utilizzando una codifica a
duplexing, la coesistenza di sistemi TDD e FDD in
correzione di errore (FEC) e un meccanismo di
canali adiacenti è da evitare; senza entrare nel
ARQ (Automatic Repeat reQuest). Quest’ultimo fa
dettaglio dell’analisi della pianificazione radio
sì che sequenze ricevute con errori non correggibasata sull’eliminazione di interferenze, è infatti
bili vengano ritrasmesse utilizzando una modulanecessario predisporre un opportuno intervallo di
zione più robusta, evitando quindi l’intervento di
guardia tra sistemi che lavorano secondo le due
meccanismi di ritrasmissione ai livelli superiori
modalità.
(TCP), in genere molto più lenti.
Sistema
Larghezza di Bit rate
Tecniche di
canale
per canale
duplexing Modulazioni
[MHZ]
(*) [MHZ]
Tecnologia di
trasporto
permessa
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Modulazione
Rate di codifica
SNR (dB)
BPSK
QPSK
1/2
1/2
6.4
9.4
QPSK
16 QAM
16 QAM
64 QAM
64 QAM
3/4
1/2
3/4
2/3
3/4
11.2
16.4
18.2
22.7
24.7
BPSK
QAM
QPSK
SNR
=
=
=
=
Binary Phase Shift Keing
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Signal to Noise Ratio
TABELLA 4› Rapporto segnale/rumore richiesto in funzione di modula-
BPSK
SNR = 6 dB
QPSK
SNR = 9 dB
16 QAM
SNR = 16 dB
64 QAM
SNR = 22 dB
BPSK = Binary Phase Shift Keying
QAM = Quadrature Amplitude Modulation
SNR = Signal to Noise Ratio
Fonte: "WiMAX's technology for LOS and NLOS environments",
WiMAX Forum Whitepaper,
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAXNLOS
general-versionaug04.pdf
zione e rate di codifica [12, Table 266].
FIGURA 5› Raggio di copertura in funzione dello schema di modulazio-
Caratteristica comune a tutti i sistemi normalizzati è la modulazione adattativa, cioè la capacità di
selezionare istante per istante la modulazione con
il maggior numero di bit per simbolo, compatibilmente con le condizioni di propagazione radioelettrica e di interferenza sul collegamento tra stazione
base e terminale. La modulazione adattativa consente di ottenere una maggior capacità trasmissiva
in presenza di elevati rapporti S/N e una comunicazione comunque affidabile, anche se con ridotta
capacità, quando il rapporto S/N è basso. La
tabella 4 riporta alcuni schemi di modulazione e
codifica utilizzabili in funzione del rapporto S/N. La
modulazione con il maggior numero di simboli (64QAM), che richiede perciò un rapporto S/N mag-
ne adottato.
bolo con la modulazione BPSK a 6 bit per simbolo
con la modulazione 64-QAM. A parità di simboli
trasmessi nell’unità di tempo (symbol rate), la
modulazione con un numero maggiore di simboli
permette una maggiore velocità di cifra (bit rate) e
quindi un più efficiente utilizzo della banda disponibile. La modulazione adattativa conduce quindi a
una copertura a “cipolla” (figura 5), in cui il bit rate
disponibile per utente decresce all’aumentare della
distanza del terminale dalla stazione radio base (un
utente prossimo alla stazione radio base dispone
di un bit rate sei volte maggiore di un utente a
bordo cella).
La modulazione e il rate di
codifica possono differire tra i due
Capacità lorda Capacità netta Capacità lorda Capacità netta
Rate
per canale 3.5 per canale 3.5 per canale 7
per canale 7
Modulazione
versi di trasmissione downlink e
di codifica
MHz [Mbit/s] MHz [Mbit/s]
MHz [Mbit/s] MHz [Mbit/s]
uplink, per esempio per una
1.5
1.2
2.3
BPSK
1/2
2.9
diversa potenza dei trasmettitori
e/o una differente sensibilità dei
2.9
2.3
4.6
QPSK
1/2
5.8
ricevitori di stazione base e termi4.4
3.5
7.0
QPSK
3/4
8.7
nale, e possono inoltre, su ciascun
16-QAM
1/2
5.8 5.8
4.7 4.7
11.611.6
9.3 9.3
16-QAM
1/2
collegamento stazione base / ter7
16-QAM
3/4
8.7 8.7
7
17.417.4
14.014.0
16-QAM
3/4
minale, variare nel tempo in funzione delle condizioni istantanee
11.6
9.3
18.6
64-QAM
2/3
23.2
del canale radio.
13.2
10.5
21.0
64-QAM
3/4
26.2
La capacità dei sistemi WiMAX
dipende dall’ampiezza del canale
nota: i valori indicati possono variare in funzione di alcuni parametri del livello MAC radio
(per es. lunghezza di trama, del tempo di guardia, ...).
radio, dal tipo di modulazione e
Fonte: Siemens solution for WiMAX Broadband Access Technology,
http://www.grnet.gr/content/calendar/Siemens.pdf
dalla codifica; a titolo di esempio,
per canali da 3,5 e 7 MHz1 i valori
di capacità lorda massima teoTABELLA 5› Capacità massima teorica lorda per canali radio da 3,5 e 7 MHz [12, Table B.29].
ricamente ottenibile sono riportati in tabella 5. Se però si tiene
conto dei diversi overhead presenti nella trama, dei tempi di guardia, dei preamgiore a parità di BER, potrà essere utilizzata per
boli, ecc… la banda disponibile a livello ad es. di
connessioni con terminali d’utente prossimi al trainterfaccia Ethernet d’utente si riduce (valori netti
smettitore, mentre ai bordi dell’area coperta da una
in tabella 5). Gli utenti che comunicano dal bordo
stazione radio dovrà essere utilizzata la moduladella cella dispongono solo di circa 2 Mbit/s menzione più robusta, quella cioè con un numero
tre, quando la modulazione 64-QAM è prevista dai
minore di simboli e con un codice più ridondante
(BPSK con FEC code rate di un mezzo).
(1)
La modulazione con un più alto numero di livelli
Lo standard 802.16-2004 prevede larghezze di canale tra
permette di trasmettere un numero maggiore di bit
1,25 e 20 MHz.
per ogni simbolo; si passa infatti da 1 bit per sim-
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sistemi, gli utenti più prossimi alla stazione radio
base dispongono di una capacità massima di 21
Mbit/s, per un canale radio di 7 MHz. Va però evidenziato che si tratta di banda condivisa tra gli
utenti di uno stesso settore che utilizzano contemporaneamente il canale radio. Si noti anche che la
presenza di terminali funzionanti con modulazioni a
ridotto numero di livelli comporta una riduzione
della capacità del settore rispetto ai valori massimi
indicati nella tabella in quanto, richiedendo un
maggior tempo di trasmissione per trasmettere la
stessa quantità di informazione rispetto a terminali
che usano modulazioni con più elevato numero di
livelli, sottraggono risorse radio a questi ultimi 2.
Inoltre il throughput percepito dall’utente può differire da quello medio (capacità totale netta/numero
di utenti attivi) per effetto dei profili di traffico generati dai singoli utenti (dipendenti dai servizi utilizzati
- su alcuni è sicuramente applicabile un fattore di
guadagno da multiplexing statistico), della distribuzione degli utenti nel settore radio (proporzione di
utenti che utilizzano le varie modulazioni), delle
prestazioni del collegamento radio (errori causano
ritrasmissioni e quindi riduzione del throughput). Si
noti infine che le prestazioni di un sistema WiMAX
dipendono fortemente da quanto le condizioni di
propagazione si discostano da quelle di LOS. In
particolare decadono molto rapidamente nel passaggio dalla propagazione in spazio libero (outdoor) a quella all’interno di edifici (indoor). Nel
primo caso si possono raggiungere distanze anche
di alcune decine di chilometri in aree
suburbane/rurali, in buone condizioni di propagazione e con antenne molto direttive, nel secondo le
distanze si potrebbero ridurre al massimo a poche
centinaia di metri in aree urbane dense.
Un meccanismo di sub-channeling può essere
utilizzato per evitare che una potenza trasmessa
dal terminale ridotta, rispetto a quella trasmessa
dalla stazione base (per contenerne il costo o per
rispettare i limiti normativi) limiti eccessivamente la
portata del sistema. La sotto-canalizzazione consiste nell’utilizzare solo un sottoinsieme delle portanti OFDM disponibili concentrando quindi su di
esse, a parità di potenza totale trasmessa, una
maggiore energia. Per contro, questo riduce la
capacità trasmissiva, in quanto viene utilizzato un
minor numero di portanti per trasferire l’informazione. La tabella 6 riporta la capacità ottenibile per
settore per un canale radio di 3,5 MHz di ampiezza
con due differenti modulazioni (QPSK e 64QAM) al
variare del numero di sottocanali utilizzati.
Un algoritmo di controllo automatico di potenza
fa in modo che la potenza ricevuta dalla stazione
base si mantenga su un livello pressoché costante
ed uguale per tutti i terminali. Ciò è ottenuto attraverso un meccanismo di misura della potenza e di
(2)
A titolo di esempio, un settore radio in cui il 50% dei terminali utilizza la modulazione 64-QAM 3/4 e il restante 50% utilizza la modulazione QPSK 1/2 avrebbe una capacità totale
netta pari all’incirca a 12,8 Mbit/s per canalizzazione 7 MHz
o 6,4 Mbit/s per canalizzazione 3,5 MHz.
segnalazione sotto il controllo della stazione base
stessa. In questo modo i terminali trasmettono alla
minima potenza necessaria per una corretta rivelazione del segnale da parte della stazione base,
riducendo il consumo (fattore determinante soprattutto per terminali mobili) e le interferenze tra settori radio operanti alla stessa frequenza.
I sistemi basati sullo standard IEEE 802.16 utilizzano meccanismi di crittografia e autenticazione
per preservare la sicurezza delle comunicazioni. In
particolare, i pacchetti che trasportano i dati d’utente e le informazioni di controllo e gestione della
rete sono crittografati utilizzando l’algoritmo DESCBC (Digital Encryption Standard - Cypher Block
Chaining). Inoltre, il protocollo PKM (Private Key
Management) è utilizzato per le procedure di
autenticazione e di trasferimento delle chiavi di
crittografia tra stazione base e terminali; l’autenticazione avviene secondo un modello basato sull’uso di certificati digitali X.509 e di crittografia a
chiave pubblica RSA.
I sistemi WiMAX effettuano la schedulazione del
traffico sulla tratta uplink, di tipo TDMA, in base ad
un meccanismo di grant/request con un controllo
centralizzato nella stazione base. Ciò consente di
fornire qualità del servizio differenziata a diversi
flussi di traffico, di ottenere una elevata efficienza
trasmissiva, e inoltre offre la possibilità di controllare i ritardi. In particolare, sono definite quattro
differenti classi di servizio:
• Unsolicited Grant Service (UGS), per servizi real
time caratterizzati da pacchetti di lunghezza
fissa a cadenza periodica (per esempio circuiti
affittati E1, flussi VoIP senza soppressione dei
silenzi);
• Real Time Polling Service (rtPS), per servizi real
time caratterizzati da pacchetti di lunghezza e
periodicità variabile (per esempio i servizi
video);
• Non Real Time Polling Service (nrtPS), per servizi tolleranti ai ritardi, ma con banda minima
garantita;
• Best Effort (BE), per servizi senza esigenze di
banda minima garantita e di ritardo limitato.
Numero di
sottocanali
Capacità con
Capacità con
modulazione
modulazione
QPSK FEC 1/2 64-QAM FEC 3/4
[Mbit/s]
[Mbit/s]
1/1
2.8
12.7
1/2
1.4
6.3
1/4
0.7
3.2
1/8
0.3
1.6
1/16
0.2
0.8
FEC = Forward Error Corection
QAM = Quadrature Amplitude Modulation
QPSK = Quadrature Phase Shift Keying
TABELLA 6› Effetto del sub-channeling sulla capacità, per un canale
da 3,5 MHz.
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
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4.2 Profili di sistema WiMAX
Bande di
frequenza [GHz]
Da quanto in precedenza esposto, si deduce che
gli standard consentono un insieme assai vasto di
opzioni differenti. La conformità di un sistema alle
norme IEEE 802.16 e/o ETSI BRAN non garantisce
quindi che due sistemi prodotti da costruttori differenti siano interoperabili. Ad esempio, un sistema
TDD non può interoperare con uno FDD. Uno degli
obiettivi principali del WiMAX Forum è precisamente
la definizione di un numero limitato di profili di
sistema, necessari a garantire l’interoperabilità.
I primi dodici profili WiMAX individuati dal
Forum riguardano i sistemi indicati in tabella 7; si
tratta di sistemi che prevedono l’impiego
dell’OFDM a 256 sottoportanti (FFT a 256 punti),
accesso TDMA, tecniche di duplexing sia TDD sia
FDD, banda di frequenza di 3,5 GHz e 5 GHz.
Duplexing
TDD
3,4 - 3,6
FDD
TDD
3,6 - 3,8
FDD
5,4 - 5,7
5,7 - 5,8
Canalizzazione
[MHz]
3,5
7
3,5
7
3,5
7
3,5
7
TDD
5
FDD
10
TDD
5
FDD
10
FDD = Frequency Division Duplexing
TDD = Time Division Duplexing
4.3 Architettura di rete WiMAX
TABELLA 7› Profili di sistema WiMAX Forum per i servizi fissi/nomadici.
Mentre gli standard IEEE 802.16 ed ETSI BRAN
sono focalizzati sui livelli di interfaccia radio, il
WiMAX Forum si propone di specificare l’architettura di rete complessiva WiMAX, ed aspetti funzionali e di interlavoro. Le attività sono in corso ed
esistono delle versioni draft delle specifiche [14].
L’architettura WiMAX è basata sui seguenti
principi:
• Supporto di servizi di massa a larga banda fissi,
nomadici e mobili a velocità veicolare;
• Adozione di un approccio di rete “All-IP”;
• Adozione degli standard IEEE 802.16/ETSI
BRAN e IETF, integrati ove necessario;
• Idoneità a deployment sia limitati sia su larga
scala, ad ambienti dal rurale all’urbano denso, a
bande di frequenza licenziate e non, a strutture
di rete gerarchiche o mesh.
La versione attuale dell’architettura WiMAX
Forum è basata su un Convergence Sublayer
R2
Visited NSP
R2
R1
SS/
MSS
R3
R5
ASN
CSN
ss
R4
Another ASN
ASP Network or
Internet
NAP
ASN
CSN
MSS
NSP
SS
=
=
=
=
=
Access Service Network
Connectivity Service Network
Mobile Subscriber Station
Network Service Provider
Subscriber Station
FIGURA 6› Network Reference Model definito dal WiMAX Forum.
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NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
Ethernet / IEEE 802.1Q (VLAN). L’architettura di
rete WiMAX Forum abilita la possibilità di handover a velocità limitata (<120 Km/h) anche utilizzando il sistema WiMAX 2004 per mezzo di Mobile
IP. Inoltre il WiMAX Forum ha l’obiettivo di definire
l’interoperabilità e l’hand-over anche con altri
sistemi (per esempio, WiFi, 3GPP, 3GPP2, DSL),
per terminali multi-mode e il roaming tra Operatori
di rete differenti.
Il modello di rete di riferimento è riportato in
figura 6. L’ASN (Access Service Network) comprende le funzionalità per stabilire la connettività
a livello radio e ai livelli 2 e 3 (solo di base, per
esempio, funzionalità di proxy) con i terminali fissi
e mobili WiMAX (indicati rispettivamente come SS
e MSS). La Connectivity Service Network (CSN)
comprende tutte le funzioni
d i re t e d i l i v e l l o 3 , p . e s .
assegnazione degli indirizzi
Home NSP
IP, AAA proxy o server, controllo di accesso, mobilità,
ro a m i n g , . . . . I l N e t w o r k
Access Provider (NAP) fornisce l’infrastruttura di
accesso radio WiMAX,
CSN
basata su una o più ASN, a
uno o più Network Service
Provider. L’interoperabilità
tra sistemi di diversi
costruttori per le specifiche
ASP Network or
di Rel.1 è prevista per le
Internet
sole interfacce logiche R1,
R2, R3 e R4.
L’integrazione di sistemi
IEEE 802.16-2004 in architetture di rete di accesso BB
wired (tipicamente DSL) può
avvenire secondo diverse
modalità. La più semplice
consiste nel sostituire all’ac-
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
T
SS
TE
WiMAX
802.16-2004
BS
T
TE
DSL
DSLAM
CPN
Modem
cesso DSL, normalmente
basato sui modelli PPPoE o
IPoE, un accesso WiMAX
fisso con sola funzionalità di
bridging Ether net, come
mostrato in figura 7.
Per l’interlavoro con il
3GPP, il WiMAX Forum ha
deciso di basarsi sulle specifiche 3GPP di interlavoro
delle WLAN con la rete
mobile, sostituendo quanto
definito per le WLAN con un
generico Wireless Access
Network che includa sia le
WLAN sia il WiMAX. Nella
figura 8 è riportata l’architettura di interlavoro, in cui le
interfaccia Wu, Wa, Wb, Wp,
Wi sono definite dal 3GPP,
così come il WAG (Wireless
Access Gateway) che realizza funzioni di controllo del
servizio ed il PDG (Packet
Data Gateway) che realizza
funzioni di controllo ed
accesso ai servizi, assegnamento indirizzo IP, accounting, ... .
V
ASP
BRAS
NSP
CPN
Access Network
PPPoETH
IPoETH
ASP
BRAS
BS
DSLAM
NSP
SS
TE
=
=
=
=
=
=
=
IP
PPP
PPPoE
ETH
PHY
ETH ETH
PHY 802.16
ETH ETH
802.16 PHY
IP
ETH
PHY
ETH ETH
PHY 802.16
ETH ETH
802.16 PHY
IP
IP
PPP LNK
PPPoE PHY
ETH
PHY
IP
ETH
PHY
IP
LNK
PHY
IP
LNK
PHY
IP
LNK
PHY
Access Service Provider
Broadband Remote Access Server
Base Station
Digital Subscriber Line Access Multiplexer
Network Service Provider
Subscriber Station
Terminal Equipment
FIGURA 7› Integrazione di accessi WiMAX per servizi fissi in architetture DSL.
l a re a l c u n i c o s t r u t t o r i ,
hanno già scommesso sul
WiMAX, e si stanno impeWiMAX Access Network
gnando per fargli raggiunInternet
gere un sufficiente grado di
Another WiMAX
maturità, tecnica e commerASN
ciale. Fra tutti si distingue lo
R4
3GPP Home Network
sforzo di Intel, che si è
posta l’ambizioso obiettivo
Wa
di ripercorrere con il WiMAX
3GPP AAA
server
R1
R3
quanto sta facendo con il
SS/
WiMAX
WiMAX
Packet data
MSS
ASN
CSN
WiFi: incorporarlo nei
network
R4
Wi
Wn
IWU
WAG
PDG
sistemi (PC ma non solo)
(3GPP PS,
che utilizzeranno le future
Internet)
versioni della tecnologia
Intel Centrino. Intel sta inveWu
stendo sia nello sviluppo
PDG = Packet Data Gateway
3GPP = Third Generation Partenership Project
dei chip-set, sia nei contriPS = Packet Switching
ASN = Access Service Network
buti tecnici ed organizzativi
SS = Subscriber Station
CSN = Connectivity Service Network
WAG = Wireless Access Gateway
IWU = InterWorking Unit
al WiMAX Forum, sia in una
MSS = Mobile Subscriber Station
ben orchestrata operazione
di marketing a livello internazionale. Intel ha stipulato
FIGURA 8› Architettura di interlavoro WiMAX e 3GPP.
a c c o rd i d i f o r n i t u r a c o n
alcuni dei più attivi costrutt o r i d i a p p a r a t i B WA
5. I Player: costruttori, network & service provi(Alvarion, Aperto, Airspan, …), ed ha accordi di
der, trial nel mondo
sviluppo congiunto con alcuni leader internazionali
di apparati TLC (Alcatel, ZTE, Nokia, …). D’altra
Oggi tutto il mondo delle TLC sta prestando
parte Intel non è la sola a scommettere sui chip
attenzione al WiMAX: molti attori sentono sempliWiMAX: oltre 50 sono i costruttori di chip che parcemente l’esigenza di conoscere meglio la nuova
tecipano al WiMAX Forum, ed alcuni stanno già
tecnologia, per poter valutare se e come posiziosviluppando i propri componenti (ad esempio,
narla nelle proprie strategie; altri attori, in particoFujitsu, Wavesat, Sequans, picoChip, …).
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
Antenne MIMO
(Multiple In Multiple Out)
L’impiego di antenne MIMO sta suscitando interesse crescente perché,
con un costo ridotto, esse migliorano
sensibilmente le prestazioni dei terminali di utente. Con esse, infatti, è possibile aumentare il volume di traffico
(throughput) a parità di BER (Bit Error
Rate) o, viceversa, migliorare il BER
per un dato throughput senza incrementare la banda assegnata a una
stazione radio base ma solo raddoppiando o triplicando il numero di
dispositivi che comunicano contemporaneamente con un Access Point.
Nel sistema MIMO si effettua la trasmissione del segnale, suddiviso in
più flussi, da antenne differenti ma
impegnando sempre la stessa banda
(figura A). Le antenne MIMO, quindi,
dividono il flusso dei dati (stream) in
più sub-flussi ciascuno dei quali è
modulato e trasmesso, simultaneamente agli altri sub-flussi, con una
separazione nello spazio, ma nella
stessa banda di frequenza, utilizzando
a questo scopo una seconda o una
terza catena circuitale uguale e paral-
lela alla prima. In ricezione i singoli
sub-flussi dati (compresi i segnali
riflessi o comunque distorti per la presenza di cammini multipli dovuti alla
variazione dell’indice di rifrazione dell’atmosfera) sono ricevuti ciascuno da
un’antenna differente, separata sempre nello spazio dalle altre. I segnali
sono poi elaborati singolarmente utilizzando un numero di catene in
ricezione pari a quelle predisposte in
trasmissione - con un particolare
algoritmo (MIMO) che riconosce i dati
0010110
•Codifica
•Modulazione
•Pesatura/
mappatura
•Pesatura/
mappatura
•Demodulazione
•Decodifica
N TXers
0010110
M RXers
FIGURA A› Architettura di un sistema radio dotato di antenne MIMO.
trasmessi. Il ricevitore, quindi, combina i differenti sub-flussi ed effettua
una correzione, eventualmente dialogando con il trasmettitore (mediante
un protocollo di handshaking), e ricostruisce così il flusso originario. In
genere le vie previste per i sub-flussi
Fra i costruttori di sistemi, molto attivi sono
quelli che, sopravvissuti alle delusioni avute con le
precedenti tecnologie BWA, vedono il WiMAX
come un’opportunità, grazie alla standardizzazione, agli investimenti dei chip-maker, ed all’interesse suscitato a livello mondiale. Si tratta tipicamente di aziende medio/piccole (anche start-up)
specializzate nel broadband wireless (ed in particolare nell’OFDM e nelle sue varianti), che sviluppano
apparati di diverse caratteristiche, e mirati a
diverse nicchie di mercato, ma accomunate nel
dichiarare di perseguire la certificazione del WiMAX
Forum (anche se non mancano coloro che seguono
strade alternative, come Flarion, che propone un
proprio prodotto per il brodband wireless mobile).
L’elenco di queste aziende (che comprende ad
esempio, Alvarion, Airspan, Aperto, Cambridge,
Navini, NexNet, Proxim, Redline, SRTelecom,
WiLAN, …) è lungo ed in evoluzione; un buon
osservatorio aggiornato è all’interno della lista dei
membri del WiMAX Forum.
Tiepidi inizialmente (con qualche eccezione),
ora anche i maggiori costruttori di apparati TLC
stanno prestando attenzione al WiMAX; molti
84
oggi impiegate sia in trasmissione sia
in ricezione, sono, come si è detto,
due o, eccezionalmente, tre, e in questo modo, il throughput si raddoppia o
si triplica. L’impiego dei sistemi MIMO
(che dovrebbero prevedere antenne
array su ogni catena in uscita) è considerato non solo per WiMAX, ma
anche con i futuri sistemi WiFi IEEE
802.11n, e con i sistemi radio-mobili
di nuova generazione.
Questa complessità aggiuntiva permette al sistema di essere più robusto
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
in presenza di propagazione con cammini multipli con differenti variazioni
del ritardo (delay spread) e di differenti velocità di trasmissione, situazioni che tipicamente si verificano in
ambiente urbano specie nel caso di
un terminale in movimento.
(come Alcatel, Marconi/Ericsson, Lucent, Siemens)
hanno intanto stipulato accordi di OEM con
costruttori minori specializzati (o acquisito partecipazioni societarie dirette), alcuni (come la stessa
Siemens, Huawei, ZTE) hanno deciso di sviluppare
una propria linea di prodotti, in qualche caso (per
esempio, Motorola) stanno facendo evolvere precedenti prodotti proprietari. Non vanno poi trascurati i costruttori (come Samsung, LG) che sviluppano sistemi WiBro. WiBro è un set di specifiche,
sviluppato da operatori e costruttori coreani, compatibile con l’IEEE802.16e, e candidato ad essere
uno dei profili del WiMAX “nomadico/mobile”. Una
sperimentazione Telecom Italia di apparati WiBro è
prevista in occasione delle Olimpiadi Invernali 2006
in Piemonte.
Fra le vicende che vanno seguite per interpretare l’evoluzione del BWA, un posto di rilievo
spetta a quelle relative alla proprietà intellettuale.
Come già ricordato, l’OFDM e le sue varianti sembrano rappresentare la tecnologia essenziale sia
per il WiMAX, sia per i sistemi proprietari alternativi
(come il Flarion), sia per l’evoluzione delle reti radio
mobili (“quarta generazione - 4G”). Ora il controllo
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Aree urbane
Hot Zone
Applicazioni
Wireless DSL
Connettività
Wireless P2P/PMP
Hot-zones e reti
municipali wireless
Accesso broadband
in aree rurali
Accesso CDN-like
Aree geografiche
Piccoli e grandi centri abitati
Aree rurali o
non servite da ADSL
Aree metropolitane e rurali
Mercato
Municipalità, residenziale/SOHO
Residenziale/SOHO
Business
Soluzione
d’accesso
Accesso WiFi e WiMax
per backhauling
WiMax CPE in accesso
WiMax CPE in accesso
Spettro
Non licenziato
Licenziato
Licenziato
Servizio fisso o nomadico
Servizio fisso e nomadico
Servizio fisso
Servizio fisso
Players
TelCo, Enti pubblici, WISP
OLO, WISP, TelCo
TelCo, OLO
Modello di
business
Reti minicipali wireless
Offerta wholesale a ISP,
servizi al cittadino
Mercato “sussidiato”
per il digital divide
Offerte di connettività
ai clienti business
ADSL
CDN
CPE
DSL
ISP
=
=
=
=
=
Asymmetric Digital Subscriber Line
Collegamenti Diretti Nazionali
Customer Premises Equipment
Digital Subscriber Line
Internet Service Provider
OLO
P2P
PMP
SOHO
WISP
= Other Licensed Operator
= Point to Point
= Point to Multi Point
= Small Office Home Office
= Wireless Internet Service Provider
TABELLA 8› Integrazione di accessi WiMAX per servizi fissi in architetture DSL.
dei brevetti relativi all’OFDM (i data base specializzati ne annoverano alcune migliaia) appare più
distribuito rispetto a quanto si è verificato per il
CDMA (una tecnologia essenziale per i sistemi
radiomobili tradizionali), e ciò potrebbe comportare,
attraverso l’applicazione di modalità di “scambio
incrociato” di diritti essenziali, un positivo effetto di
limitata incidenza sui costi degli apparati; d’altra
parte, anche in considerazione del significativo
ruolo giocato nel BWA da aziende medio/piccole,
processi di acquisizione societari potrebbero determinare il formarsi di concentrazioni importanti, in
particolare nel segmento nomadico/mobile [15].
Per quanto riguarda gli attori (WISP, Operatori,
enti pubblici) che forniscono a vario titolo servizi ai
clienti finali, diversi sono i modelli di business considerati; le tre principali aree di applicazione
(tabella 8) sono: Hot Zone (pubblico e privato),
Wireless WAN (collegamenti PTP e PMP), Wireless
DSL (non consideriamo qui le applicazioni “mobili”,
per le quali gli scenari non sono sufficientemente
definiti).
Esempi paradigmatici di modelli di business
possono essere considerati l’offerta di Libera (UK)
per un target business, e l’offerta di Altitude in
Francia per il segmento consumer.
Libera (UK) è un OLO che offre servizi di
accesso fisso broadband wireless ed è posizionato
sul segmento SME della piccola e media impresa.
Attualmente l’offerta di Libera è presente in Bristol
con una soluzione Aperto Network pre-WiMAX
nella banda licenziata dei 5,8 GHz. Libera dichiara
di prevedere a fine 2008 la copertura di 50 cittadine nel Regno Unito con l’acquisizione di 10.000
clienti business. L’offerta attuale prevede velocità
di connessione da 2 a 50 Mbit/s in competizione
con l’offerta SDSL di connettività di BT alle
imprese. Anche se l’offerta parla di QoS garantita e
maggiore banda rispetto all’analoga offerta BT, il
prezzo appare la leva principale dell’ offerta
(tabella 9).
Segmento mercato
SOHO e SME
Servizi offerti
Connettività e accesso veloce
a Internet
Lancio del servizio
Febbraio 2005
Capacità di banda fornita
simmetrica (SDSL-like) da
2 a 50 Mbit/s
Disponibilità del servizio
Bristol (UK)
Pricing dell’offerta
connettività di Libera
Accesso 2 Mbit/s: £300 canone mensile
£495 per l’installazione
Pricing offerta di riferimento
di BT: connessione SDSL
Accesso 2 Mbit/s: £345 canone mensile
£595 per l’installazione
SDSL = Symmetric Digital Subscriber Line
SME = Small Medium Enterprise
SOHO = Small Office Home Office
TABELLA 9› Principali caratteristiche del servizio commerciale di Libera.
Altitude Telecom opera in Francia come unico
operatore WLL con una licenza nazionale a 3,5 GHz.
Altitude, inizialmente posizionata sul segmento SME,
grazie anche ai fondi pubblici ha esteso l’offerta a
larga banda wireless nelle aree rurali al segmento
residenziale e della pubblica amministrazione locale.
Altitude Telecom è già attiva in alcune regioni come
la Vendée (coperta al 100% con sistemi pre-WiMAX),
Orne e Calvados, per le quali ha concluso un
accordo con Alvarion (fornitura di 200 base stations
BreezeMAX e 10000 antenne outdoor per sedi dei
clienti). Altitude Telecom posiziona il suo servizio
“pre-WiMAX” come una alternativa al servizio di con-
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
Capacità di accesso
1 Mbit/s
Canone mensile
• Solo accesso dati 1 Mbit/s data
- 39 euro/mese
• Offerta “Double play”: accesso 1 Mbit/s
+ VoIP - 45 euro/mese
Soluzione CPE
Antenna Outdoor installata da partner
Altitude, e CPE indoor
CPE = Customer Premises Equipment
TABELLA 10› Schema dell’offerta Altitude Telecom per la clientela
residenziale.
bande per il wireless:
• 2,4 GHz (non licenziata) per applicazioni
WLAN;
• 3,5 GHz (licenziata) per applicazioni WLL;
• 3,7 GHz è in corso d’esame da parte del regolatore;
• 5,150 - 5,350 GHz esclusivamente per accesso
WLAN indoor.
Il già citato operatore Altitude ha ottenuto,
prima della consultazione pubblica WiMAX di ART,
una licenza nazionale (15 MHz duplex), e già offre
servizi BWA con sistemi pre-WiMAX. ART ha promosso una sperimentazione nella banda di frequenza 3,5 GHz, rendendo disponibile più spettro
di quanto previsto in un primo momento: 30 MHz
in 3,4-3,6 GHz ed ulteriori 30 MHz nella banda 3,63,8 GHz. Le frequenze disponibili sono messe all’asta su base regionale o nazionale. France Telecom
ha condotto una sperimentazione in tre cittadine
(Amilly, Lehon, La Salvetat) testando apparati di tre
diversi fornitori. Il trial in Lehon (Aperto) è già stato
avviato a fine dello scorso anno e riguarda l’utilizzo
di WiMAX come backhauling di hot-spot WiFi; in
Amilly (Redline Communications) sono state collegate 12 utenze enterprise mentre a Le Salvetat
(Alvarion) la sperimentazione interessa 32 utenze
residenziali. Il servizio offerto a pagamento è analogo all’accesso ADSL. Si prevede nel corso della
sperimentazione (figura 9) un upgrade in tutte le
località a 4 Mbit/s.
nettività DSL, utilizzando l’acronimo WDSL,
“Wireless DSL” (tabella 10). Altitude Telecom, che
aveva annunciato ad Aprile 2005 di avere 350 clienti
pre-WiMAX, prevede di migrare in modo graduale
verso CPE indoor WiMAX (antenna interna, modalità
autoinstallante). Il modello di business prevede
anche il lancio di servizi VoIP su WiMAX sia per il
segmento business che residenziale, stimando in
particolare una riduzione di circa il 50% del costo
delle fatture per il segmento business.
In Austria l’asta per la banda a 3,5 GHz è stata
effettuata nell’ottobre 2004. Le frequenze assegnate prevedono un piano di roll-out per ogni
regione con una penale fino ad un milione di euro
per il mancato raggiungimento dei livelli di copertura concordati. All’asta hanno partecipato:
Telekom Austria (incumbent
rete fissa), UPC Telekabel (il
maggiore operatore del
cavo), WiMAX Telecom (un
newcomer), Teleport (un
local player). Gli annunci dei
piani di investimento da
parte degli operatori portano
ad individuare diverse strategie di roll-out del servizio.
WiMAX Telecom ha annunciato di volere effettuare un
deployment da metà 2005 a
livello nazionale. UPC ha
annunciato che WiMAX sarà
WiMAX
CPE
utilizzato in “white spots”,
10/100 BaseT
dove non esiste ancora
alcuna infrastruttura in cavo
WiMAX
Access
3,5 GHz
o accesso ADSL.
BS
concentrator
Telekom Austria segue
STM1
10/100 BaseT
or
invece una strategia di sviIMA/n°E1
luppo del servizio mirata alle
WiMAX
principali aree urbane dove
WiFi AP
CPE
si concentra la popolazione
2,4 GHz
10/100 BaseT
in Austria; a tale scopo
Telekom, che prevede di
WiMAX
CPE
avvalersi di più fornitori, ha
AP = Access Point
=
BAS
Broadband
Access
Server
10/100 BaseT
acquisito all’asta 5 bande di
BS = Base Station
CPE = Customer Premises Equipment
frequenze nel campo del 3,5
DSLAM = Digital Subscriber Line Access Multiplexer
GHz, una per ogni regione in
WiFi = Wireless Fidelity
cui è stata divisa l’Austria
dal regolatore.
In Francia la regolamen- FIGURA 9› Schema di FT R&D della sperimentazione WiMAX.
tazione prevede le seguenti
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NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
Backbone
BAS
STM1
DSLAM
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
In Inghilterra la maggior parte dello spettro
risulta già allocato e nella banda 3,4-3,5 GHz esistono già operatori a livello nazionale:
• 2,4 GHz non licenziata WiFi;
• 3,4 GHz licenza nazionale assegnata all’operatore PCCW;
• 3,5 GHz licenza nazionale assegnata all’operatore Pipex;
• 5,8 GHz non licenziata WiFi - 802.11a;
• 10 GHz varie licenze locali.
Ofcom sta considerando, come candidate per
le licenze WiMAX, le bande 2,010-2,025 GHz,
2,500-2,690 GHz, 3,6-4,2 GHz. La banda 5,8 GHz
può essere utilizzata solo per collegamenti PTP,
senza protezione per i disturbi e quindi senza
SLA. Anche in UK gli operatori si dividono tra
quelli che hanno come target il mercato delle aree
rurali non servite dal BB - come stanno facendo
Telabria e in qualche misura BT con il suo recente
trial pilota in aree rurali della Scozia, Galles e
Irlanda del Nord - e quelli come Libera che punta
al segmento business (con l’obiettivo di coprire il
75% dei clienti business in Inghilterra per la fine
del 2006), con un’offerta di capacità a basso
costo alternativa ai circuiti affittati. Entrambi i
modelli di business possono utilizzare apparati in
banda non licenziata: in aree rurali grazie alla
scarsa interferenza e congestione nella pianificazione delle frequenze, mentre nel caso business
grazie alla possibilità di installare antenne esterne
per ottenere il LOS (Line Of Sight). Per le aree
urbane o suburbane le bande licenziate sono fondamentali a fronte dei rischi d’interferenza, e pertanto cresce l’interesse per le bande assegnate in
licenza nella banda 3,4-3,5 GHz. Pipex detiene la
licenza nazionale nello spettro dei 3,5 GHz, ma ha
ancora utilizzato poco questo asset, lasciando
a l l ’ o p e r a t o re P C C W ( p a r t e c i p a t a d i U K
Broadband) il ruolo di operatore di riferimento per
i servizi broadband wireless licenziati con la sua
banda 3,4 GHz posseduta a livello nazionale. Il
panorama si completa con l’offerta di altri servizi
simili in differenti bande di frequenza per il segmento business e SOHO, dove operano altri
players che utilizzano spettro non licenziato a 5
GHz come Telabria che ha iniziato a sviluppare la
sua rete WiMAX per la fornitura di servizi dati e
fonia per i segmenti residenziali e business nella
regione del South East England.
In Spagna assistiamo alla crescita di interesse
sul BB wireless: Iberbanda, una startup nata nel
2000 per fornire capacità a larga banda nelle
aree rurali, opera con una licenza nazionale che
utilizza sistemi radio a 3,5 GHz, con canali simmetrici 20 + 20 MHz , 3,440-3,460 GHz e 3,5403,560 GHz. In passato (2000 - 2003) ha utilizzato
sistemi LMDS 3,5 GHz con un target di mercato
business con una offerta dati e fonia. Con la
disponibilità di prodotti pre-WiMAX, Iberbanda
cambia strategia e dal 2004 oltre alle aree rurali
inizia a fornire servizio nelle aree non coperte dall’accesso ADSL. Il deployment con sistemi
preWiMAX copre il 25% del territorio spagnolo
(Andalucía, Murcia, Cataluña), e si inizia a pianifi-
care la copertura nelle aree urbane considerate
maggiormente remunerative. L’obiettivo è raggiungere per il 2006 il 68% della popolazione spagnola.
In Giappone YOZAN, un operatore attivo nell’area metropolitana di Tokyo, ha raggiunto un
accordo con Airspan per la fornitura di BS e CPE
per una cifra che si aggira attorno ai 12 milioni di
dollari; Yozan prevede di sviluppare una rete
WiMAX nell’intera città di Tokyo utilizzando circa
600 stazioni base per la fornitura di connettività
IP e di servizi voce, video e dati a larga banda. Il
deployment dovrebbe essere caratterizzato da
una canalizzazione a 10 MHz con BS che forniscono circa 30 Mbit/s su un raggio di 500 metri. Il
lancio del servizio commerciale è previsto per
dicembre 2005, con offerta di dati e VoIP. Nel
futuro il servizio dovrebbe estendersi ad includere
video e aree suburbane. L’operatore è inoltre in
fase di negoziazione con il regolatore per ottenere
la possibilità di estendere in seguito il servizio in
mobilità.
In Corea Il MIC (Ministry of Information and
Communication) ha assegnato tre licenze per il
WiBro a Korea Telecom, SK Telecom e Hanaro
Telecom (successivamente ritirato), l’inizio del
servizio commerciale è previsto per metà 2006; il
costo del servizio (1 Mbit/s) sarà di circa 30 dollari al mese.
Nel nord America si evidenzia un crescente
interesse verso il WiMAX. La crescita delle piccole e medie imprese che operano come fornitori
di tecnologia o WISP BWA è stimolata dalla presenza di nicchie di mercato in ambito urbano,
dove si riscontra un certo interesse per l’offerta
di reti alter native che possano for nire sia un
back-up alle imprese (diversità nell’accesso) che
un accesso a basso costo per servizi di pubblica
utilità e di superamento del digital divide, anche
per l’accesso delle fasce più deboli della popolazione. I grandi operatori hanno invece avviato
alcuni trials in aree in cui il livello di penetrazione
della larga banda è scarso o dove il livello di
competizione non è elevato e quindi si possono
raggiungere delle posizioni dominanti nel mercato. Questi operatori, fra cui Nextel, QWest,
Covad, BellSouth, AT&T, Verizon, Sprint, hanno
attivato o prevedono sperimentazioni nelle bande
2,5 GHz e 5,8 GHz. In particolare Verizon ha
creato una controllata Verizon Avenue che ha
come mission l’offerta di soluzioni BWA. Dal
punto di vista tecnologico, si individua una forte
direttrice di sviluppo verso il WiMAX in tutte le
sue declinazioni fisso e nomadico, che può trovare applicazione sia per l’accesso, sia per il
backhauling a seconda dei contesti. In contemporanea assistiamo al fenomeno del proliferare
delle cosiddette reti wireless cittadine che, grazie
alla soluzione WiFi Mesh, offrono una copertura
metropolitana ponendosi come evoluzione del
modello WiFi hot-spot.
In Italia il Ministero delle Comunicazioni ha
promosso, con il supporto della Fondazione Ugo
Bordoni, una sperimentazione tecnica [16] con
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
l’obiettivo di indagare sulle effettive potenzialità
ed i limiti della tecnologia WiMax. La sperimentazione, che prevede l’utilizzo di specifiche porzioni
della banda 3,5 GHz (normalmente utilizzata dal
Ministero della Difesa), contempla al momento
oltre 50 siti di prove tecniche, con apparati di svariati costruttori, e con la partecipazione di diversi
soggetti, fra cui Telecom Italia.
6. Conclusioni
L’accesso broadband wireless è destinato a
giocare un ruolo crescente nelle reti TLC, a causa
dell’evoluzione della domanda del mercato verso
la larga banda e verso l’ubiquità nell’accesso ai
servizi. Svariati fattori rendono non ovvie le scelte
che dovranno essere fatte dai fornitori di reti e
servizi TLC: lo scenario regolatorio, il formarsi,
attorno a specifici standard, di aree di consenso
sufficientemente ampie da rendere economicamente praticabile la diffusione di apparati di rete
adeguati e di terminali interoperabili, la capacità
dei nuovi servizi di soddisfare i reali bisogni dei
diversi segmenti dei clienti finali.
Molti sono gli aspetti su cui è necessario
accrescere il livello di conoscenza e di maturazione, al fine di evitare errori di valutazione anche
grossolani.
Sul piano dell’evoluzione delle tecnologie il
settore del BWA è chiaramente in movimento, e, a
fronte di obiettivi molto ambiziosi, è ragionevole
aspettarsi che, per quanto riguarda le applicazioni
“fisse”, nel 2006 sarà possibile verificare sul
campo le caratteristiche dei primi sistemi “certificati”, mentre per le applicazioni “mobili” sarà
necessario più tempo per poter disporre di elementi di valutazione oggettivi sulle reali potenzialità delle soluzioni attualmente in fase di definizione in particolare nei gruppi IEEE 802 e nel
WiMAX Forum. D’altra parte va tenuto presente
che alcuni operatori e costruttori coreani si sono
mossi in anticipo rispetto alla definizione degli
standard con l’obiettivo di offrire già dal 2006 servizi mobili broadband, con una soluzione, il
WiBro, recentemente proposta come uno dei possibili profili mobili WiMAX.
Complessivamente, le dimensioni dei business
associati al settore rendono opportuno, per i key
player, un attento monitoraggio dei passi di consolidamento delle opzioni tecnologiche, tenendo
anche conto che lo scenario nel quale le valutazioni devono essere collocate è quello della convergenza fisso-mobile, nel quale si giocherà la
competizione nei prossimi anni.
88
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
—
[1]
BIBLIOGRAFIA
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WiMAX_Plenary_and_Summit_Release_Final_2_.pdf
[2]
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[4]
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[5]
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D. Ceccarelli, G. Cecconi, A. Ciarniello, S. Marino, D.
Roffinella, P. Senesi: “Convergenza fisso-mobile: architetture e tecnologie”, Notiziario Tecnico, Anno 14 n° 1,
Giugno 2005
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http://www.broadband-wireless.org/home.htm
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dell’UMTS”, Notiziario Tecnico, Anno 13 n° 1,
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[11] http://www.ieee802.org/20/
[12] IEEE Std 802.16-2004, “IEEE Std for Local and
Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for
Fixed Broadband Wireless Access Systems {Revision of
IEEE Std 802.16 (including IEEE Std 802.16-2001,
IEEE Std 802.16c-2002, and IEEE Std 802.16a2003)}”, 01/10/04
[13] IEEE Std 802.16e-2005, “Amendment to IEEE
Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless
Access Systems- Physical and Medium Access Control
Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in
Licensed Bands”
[14] WiMAX End-to-End Network Systems Architecture Stage 2: Architecture Tenets, Reference Model and
Reference Points, draft del 15.09.2005
[15] http://www.dailywireless.org/modules.php?name=
News&file=article&sid=4532
[16] http://wimax.fub.it/
[17] S.B. Weinstein, P.M. Ebert, “Data Trasmission by
Frequency-Division Multiplexing using the Discrete
Fourier Trasform”, IEEE Transaction on
Communication Technology, Vol. COM-19, n° 5,
ottobre 1971, pp. 628-663.
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
—
ABBREVIAZIONI
AAA
AAS
ANSI
ARQ
ASN
ATM
BE
BER
BPSK
BRAN
BRAS
BWA
CDMA
CDN
CEPT
CPE
CSN
DES-CBC
DLC
DSL
ECC
EIRP
ERO
ETH
ETSI
FCC
FDD
FEC
FFT
3GPP
HSDPA
HSUPA
IAD
IEEE
IETF
IMT
IPoE
ITFS
ITU-R
IWU
LLC
LMDS
LOS
LTE
MAC
MAN
MBWA
MIHF
MIMO
Authentication, Authorization, and
Accounting
Adaptive Antenna Systems
American National Standards Institute
Automatic Repeat reQuest
Access Service Network
Asynchronous Transfer Mode
Best Effort
Bit Error Rate
BiPhase Shift Keying
Broadband Radio Access Networks
Broadband Remote Access Server
Broadband Wireless Access
Code Division Multiple Access
Circuito Diretto Numerico
European Conference of Postal and
Telecommunications Administrations
Customer Premises Equipment
Connectivity Service Network
Digital Encryption Standard-Cypher Block
Chaining
Data Link Control
Digital Subscriber Line
Electronic Communications Committee
Effective Isotropic Radiated Power
European Radiocommunications Office
Ethernet
European Telecommunications
Standardization Institute
Federal Communications Commission
Frequency Division Duplex
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
3rd Generation Partnership Project
High-Speed Downlink Packet Access
High-Speed Uplink Packet Access
Integrated Access Device
Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Internet Engineering Task Force
International Mobile Telecommunications
Internet Protocol over Ethernet
Instructional Television Fixed Service
International Telecommunication Union Radiocommunication Sector
InterWorking Unit
Logical Link Control
Local Multipoint Distribution Service
Line Of Sight
Long Term Evolution
Medium Access Control
Metropolitan Area Network
Mobile Broadband Wireless Access
Media Independent Handover Function
Multiple In Multiple Out
MMDS
Multi-Channel Multi-Point Distribution
Service
MSS
Mobile Subscriber Station
NAP
Network Access Provider
NRTPS
Non Real Time Polling Service
NSP
Network Service Provider
OFCOM
Office of Communications
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple
Access
OLO
Other Licenced Operator
PAN
Personal Area Network
PHY
Physical
PDG
Packet Data Gateway
PKM
Private Key Management
PMI
Piccola Media Impresa
PMP
Point To MultiPoint
POTS
Plain Old Telephone Service
PPPoE
Point-to-Point Protocol over Ethernet
PTP
Point To Point
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QoS
Quality of Service
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RFI
Request For Information
rtPS
Real Time Polling Service
SLA
Service Level Agreement
SME
Small Medium Enterprise
S/N
Signal/Noise
SC
Single Carrier
SNR
Signal to Noise Ratio
SPAN
Services and Protocols for Advanced
Networks
SS
Subscriber Station
STC
Space Time Coding
TCP
Transmission Control Protocol
TDD
Time Division Duplex
TDMA
Time Division Multiple Access
THIPON
Telecommunications and Internet Protocol
Harmonization over Networks
TISPAN
TIPHON + SPAN
TLC
TeLeComunicazioni
UGS
Unsolicited Grant Service
UMTS
Universal Mobile Telecomunications System
VLAN
Virtual Local Area Network
VoIP
Voice Over Internet Protocol
WAG
Wireless Access Gateway
WG
Working Group
WiBro
Wireless Broadband
WiFi
Wireless Fidelity
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave
Access
Wireless-HUMAN Wirelees High-Speed Unlicensed
Metropolitan Area Network
WISP
Wireless Internet Service Provider
WLAN
Wireless LAN
WLL
Wireless Local Loop
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GASBARRONE › RENON › ROFFINELLA › SPINI › VALVO• WiMAX, una proposta per l’accesso Broadband Wireless
Giovanni Gasbarrone si è laureato a
pieni voti in Ingegneria Elettronica presso
l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
ed ha partecipato al corso di specializzazione
in telecomunicazione presso la SSGRR (oggi
TILS). Ha iniziato la sua attività in SIP (oggi
Telecom Italia) nel 1985 nella dir ezione
“Ricerca e Sviluppo” occupandosi degli
sviluppi innovativi nelle reti dati e VAS. È stato
membro di diversi comitati tecnici e
presidente del MOU tra i gestori europei sulle reti dati a
pacchetto. Nel 1990 frequenta presso la Bocconi SDA i corsi
aziendali di Marketing e Pianificazione Strategica, opera quindi
nella funzione di Marketing Strategico dove si occupa delle
strategie sui servizi di rete intelligente e radiomobile. Nella
Divisione Business dal 1993, è prima responsabile dei servizi
commerciali OSS e, successivamente, nella progettazione, cura
lo sviluppo di soluzioni innovative per il segmento clienti
corporate. Nel 1999 è coordinatore del progetto di convergenza
fisso-mobile in Telekom Austria. Nel 2000 partecipa alle attività
del Wireless Research Forum per gli aspetti architetturali dei
servizi e i nuovi modelli d business. Dal 2001 opera nel Marketing
della Divisione Fonia Business e dal 2002 nel Marketing
Strategico e Innovazione di Wireline dove si occupa dei servizi di
“broadband wireless access” (WiFi mesh, WiMAX) e dei servizi di
convergenza fisso-mobile (FMC).
Federico Maria Renon si è laureato in
Ingegneria Elettronica a Pavia nel 1986. Dopo
una breve esperienza di lavoro in Aeritalia (ora
Alenia Spazio) come r esponsabile dello
sviluppo di sistemi di controllo per il satellite
scientifico SAX, nel 1990 è passato al settore
delle telecomunicazioni presso lo CSELT (ora
TILAB). Ha lavorato nel campo delle reti dati
ad alte prestazioni (reti metropolitane a
standard SMDS/DQDB, reti geografiche ATM
e IP), contribuendo sia alla normativa internazionale in ambito
IEEE, ETSI e ITU, sia allo sviluppo e realizzazione di reti e servizi
su scala nazionale ed internazionale (Pilota ATM europeo ed
italiano, reti ATMosfera e Interbusiness). È stato responsabile
della ricerca per l’innovazione di rete sul “Networking”,
indirizzando le attività di studio, sviluppo, valutazione e validazione
di soluzioni innovative di rete e servizio in ambito wireline e
wireless: MPLS e GMPLS, VPN IP, autenticazione e profilatura
utente, integrazione multiservizio voce/video/dati su IP con
controllo della qualità di servizio (QoS) differenziata, distribuzione
di contenuti e Content Networking, reti broadband wireless. Da
dicembre 2005 è responsabile, in ambito della funzione
Purchasing Telecom Italia, del settore degli Acquisti Tecnologici
Innovativi per Accesso e Trasporto.
Daniele Roffinella si è laureato con
lode in Ingegneria Elettronica presso il
Politecnico di Torino nel 1982, e dallo stesso
anno opera nei laboratori di Ricerca e
Sviluppo di Telecom Italia. Dopo aver guidato
numerosi Progetti, anche di cooperazione e di
normativa internazionale, nel settore delle reti
locali, delle reti metropolitane a larga banda e
dell’ATM, ha assunto la responsabilità di una
Linea di Ricerca impegnata nelle specifiche
dei sistemi di commutazione e dei servizi POTS ed ISDN. Dal
1994 al 2001 è stato il responsabile, in TILAB, della Linea di
Ricerca avente mandato sulla Rete Intelligente e sulle piattaforme
innovative di Controllo e Creazione Servizi (fra cui piattaforme SIPbased) per reti fisse e per reti mobili. Dopo un’esperienza in
ambito Business Innovation, dal 2004 si occupa di sistemistica
ed architetture per la convergenza fisso-mobile. Svolge il ruolo di
Technical Contact Telecom Italia nel WiMAX Forum.
90
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005
Marco Spini si è laureato in Ingegneria
Elettronica nel 1991 presso il Politecnico di
Torino. Dal 1991 al ottobre 2005 ha lavorato
presso TILAB, ora in Telecom Italia nell’area
Innovation & Engineering Services. Il principali
interessi sono nel campo delle architetture e
sistemi di trasmissione radio, in particolare
negli ultimi anni si è occupato dei sistemi
radiomobili, di evoluzione di rete, delle WLAN
e della loro integrazione con le reti
radiomobile. Sino dal 1991 è stato attivamente coinvolto nei
gruppi internazionali di standardizzazione, tra i quali come
Segretario del ETSI/TM4 e Chairman del ITU-T SG9 Working
Party 9A, e dal 2001 ha partecipato ai gruppi 3GPP e, dal 2005,
al WiMAXForum. È autore di numerosi articoli tecnici pubblicati su
riviste internazionali ed in conferenze.
Maurizio Valvo si è laureato con lode in
Ingegneria Elettr onica, specializzazione
Telecomunicazioni, presso l’Università
Federico II di Napoli, nel 1991. Nello stesso
anno è entrato in CSELT (ora TILAB) dove si è
occupato inizialmente di sistemi Passive
Optical Network (PON), basati su tecnologia
ATM, in progetti di ricerca internazionali. Ha
proseguito la sua attività nell’ambito della
ricerca su sistemi di accesso innovativi (PON,
xDSL, GBE) in tecnologia IP, occupandosi anche di sistemi Free
Space Optics e Fixed Wireless Access e di integrazione delle reti
d’accesso broadband in architetture di rete triple-play con
supporto della qualità del ser vizio (QoS). Ha contribuito
attivamente ai lavori del gruppo Full Service Access Network
(FSAN) per la definizione delle specifiche IPTV, recepite dalla
Raccomandazione ITU-T H.610. È attualmente responsabile del
laboratorio di ricerca “Sistemi per reti di accesso a larga banda” e
del progetto “Fixed Wireless Access”, rivolto allo studio e alla
sperimentazione di soluzioni 802.16-2004/WiMAX.

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