La Storia nel Futuro a Torino Politecnico di Torino, 27 maggio 2008 Comunicazioni personali e infomobilità La convergenza fisso-mobile ed i servizi Pietro Porzio Giusto Politecnico di Torino, 27 maggio 2008

Sommario Affinché i servizi abbiano successo occorre che: soddisfino bisogni profondamente sentiti rispondano a desideri reali abbiano prezzi abbordabili L’evoluzione tecnologica offre tecniche sempre più sofisticate, che migliorano le prestazioni e riducono i costi Le tecniche che si applicano richiedono competenze teoriche e specialistiche sempre più profonde, per le quali occorre una preparazione di base solida e aperta all’innovazione Per gli utenti la distinzione fra rete fissa e rete mobile è sempre meno comprensibile, ma la struttura dei costi dei due tipi di rete è diversa e occorre trovare una conciliazione delle tariffe per arrivare a un’effettiva convergenza fisso-mobile

Servizi e sviluppi da perseguire

Servizi Fonia Trasmissione di testi Accesso ad Internet SMS chat email Accesso ad Internet Trasferimento di file Trasmissione di immagini MMS videotelefonia Intrattenimento giochi radio televisione Telepresenza Immersiva Virtuale: solo con telecomunicazioni fisse? Servizi di “infomobilità”

I servizi di infomobilità Gestione di flotte di veicoli e del trasporto merci Pagamento automatico dei pedaggi Controllo del veicolo e navigazione Protezione dei veicoli (antifurti) (LBS) Location Based Services: servizi e informazioni correlate al luogo in cui il viaggiatore si trova (allertamenti e notizie su ingorghi , mezzi di trasporto pubblici, farmacie, ristoranti, alberghi, pubblicità, giochi, ...) Gestione delle emergenze e degli incidenti; eCall (Emergency Call) I servizi di infomobilità immaginabili sono numerosi. Pochi richiedono bande di trasmissione larghe.

Gli argomenti di studio e di sviluppo Fra i servizi già sperimentati, alcuni hanno avuto successo, altri hanno fatto fiasco. Per stabilire su quali ricerche e su quali sviluppi conviene investire occorre: individuare i servizi che possono soddisfare bisogni sentiti progettare prodotti confacenti con i desideri reali dei potenziali clienti verificare che i potenziali clienti si potranno permettere ciò che si intende proporre al tempo in cui il prodotto sarà immesso sul mercato ottimizzare la tecnologia

L’evoluzione delle reti per comunicazioni personali

La crescita della banda di trasmissione Sistema Bit rate di picco teorica (kbit/s) Efficienza di trasmissione (Bit/s/Hz) Efficienza cellulare (Bit/s/Hz /cella) Downlink Uplink TACS 2,4 0,1 0,005 GPRS (4+1 time slot) 57,6 14,4 0,58 0,064 EDGE (4+1 time slot) 237 59 2,37 0,13 UMTS 384 0,46 HSPA (attuale) 7.200 2.080 1,39 WiMax (TDD, 5 MHz) 5.200 3.900 1,82 0,45 HSPA evolved 21.000 11.500 3,25 LTE (20 MHz) 100.000 50.000 3,75 I valori della tabella sono indicativi e per condizioni ideali di utilizzo

Due motivi per la crescita della banda di trasmissione Fornire servizi a larga banda e migliorare la qualità percepita dagli utenti (tempi di risposta della rete, interattività) Ridurre i costi di rete (numero di ricetrasmettitori, branching) TX 1 TX 2 TX 3 TX 4 TX n RX 1 RX 2 RX 3 RX 4 RX n Sistema di branching ...

La “Core Network” Cresce il numero di servizi di telecomunicazioni basati sull’IP Con l’IP si possono impiantare su una base comune i protocolli di tutti i servizi e rendere semplice e flessibile la gestione delle reti L’IP consente generalmente di ridurre i costi di rete Si possono applicare tecniche ROHC (Robust Header Compression) che rendono accettabile l’uso dell’IP anche per la voce sull’interfaccia radio Le nuove reti mobili (WiMax, LTE) sono completamente basate sull’IP (IPv6)

Tecniche radio Tecniche di accesso: FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) Modulazioni fino a 64 stati (64QAM) Codificazioni per la rivelazione e la correzione degli errori di trasmissione (codici convoluzionali, turbo codici, ...) Adattatività di modulazione e codificazione HARQ (Hybrid-Automatic Repeat reQuest) e “soft combining” Sistemi d’antenna MIMO (Multiple Input Multiple Output) Multiuser Detection (Joint Detection- Interference Cancellation)

Propagazione e antenne

I cammini multipli di propagazione

La variabilità del canale radio Ampiezza della funzione di trasferimento del canale I cammini multipli di propagazione creano forti distorsioni della funzione di trasferimento del canale radio. Canale radio Le distorsioni mutano con il movimento del terminale e degli oggetti circostanti Frequenza La rapidità delle evoluzioni del canale può essere dell’ordine del tempo che il terminale impiega per percorrere una distanza pari un quarto della lunghezza d’onda della portante radio (la rapidità di adattamento dei ricevitori è cruciale) Gli errori di trasmissione capitano tendenzialmente a folate

Sistemi d’antenna MIMO (Multiple-Input/Multiple-Output) H11 TX1 RX1 Banda base Banda base H21 H12 H22 TX2 RX2 R1 = T1 H11 + T2 H21 R2 = T1 H12 + T2 H22 Inviando appositi segnali pilota si stimano le funzioni di trasferimento Hxy e, risolvendo il sistema di equazioni, si ricavano i segnali T1 e T2: sul canale radio distorcente si trasmettono più segnali

Principi dell’HARQ (Hybrid-Automatic Retransmission reQuest) L’informazione da trasmettere è suddivisa in blocchi e ogni blocco è codificato con un a codifica molto robusta e ridondate Il blocco codificato è suddiviso in sottoblocchi, il primo dei quali contiene il “codice madre” e un minimo di ridondanza per la rivelazione degli errori di trasmissione. Sul canale si trasmette il primo sottoblocco da cui il ricevitore tenta il recupero dell’informazione; in caso di decodificazione corretta, l’informazione risulta trasmessa con la massima efficienza Se gli errori di trasmissione impediscono di estrarre l’informazione, il ricevitore chiede la trasmissione di un altro sottoblocco e tenta il recupero dell’informazione combinando ciò che ha ricevuto fino al momento (ridondanza incrementale) Si ripete il punto d), anche con la ritrasmissione di sottoblocchi già trasmessi, finché la decodifica non ha successo o finché non si supera un limite massimo di trasmissioni di sottoblocchi

IL DS-CDMA (Direct Sequence – Code Division Multiple Access)

Generazione di un segnale CDMA chip B: codice di spreading A: bit di modulazione bit AxB: segnale codificato

Ricezione di un segnale CDMA C: segnale ricevuto B: clodice di spreading A: prodotto AxB D: codice di spreading ortogonale AxD: valor medio nullo

Codici ortogonali A Il prodotto di ogni elemento per ciascuno degli altri ha valor medio nullo B C D A x B A x C A x D

Sovrapposizione e trasmissione (I) Dalla base ai terminali Codice 1 Segnale x Codice x Segnale 1 Codice 2 Segnale 2 Sommatore Codice n Segnale n

Sovrapposizione e trasmissione (II) Dai terminali alla base Segnale 1 Codice 1 Segnale 2 Codice 2 Segnale n Codice n Codice x Segnale x

Il ricevitore “a rastrello” Ritardo Somma Codice x Coeff. 1 Coeff. 2 Coeff. 3 Segnale decodificato ed equalizzato Per velocità di bit e di chip elevate il ricevitore Rake comporta un rilevante carico elaborativo

Il CDMA entra nei sistemi cellulari 1978: prima idea di utilizzare il CDMA per sistemi cellulari (Cooper e Nettleton) 1985: fondazione della Qualcomm (QUALity COMMunication) da parte di Jacbos, Viterbi e altri 1989: la Qualcomm fa una prima dimostrazione del CDMA per sistemi cellulari 1989: l’Europa inizia gli studi sulla 3G con il “COST 231”, considerando l’alternativa fra TDMA e CDMA. In una riunione del 1991 Viterbi presenta il CDMA 1992: avvio del programma europeo di ricerche RACE II, con studi sul CDMA e il TDMA 1992: In ambito ETSI/SMG (Special Mobile Group) si costituisce il gruppo SMG5 per la standardizzazione di un sistema cellulare di terza generazione 1992: la DoCoMo inizia gli studi sul CDMA

Caratteristiche del cdmaOne Il primo sistema CDMA 1993: completamento dello standard IS-95 (cdmaOne) 1995: Hutchison Telecom lancia commercialmente a Hong Kong la prima rete cdmaOne Caratteristiche del cdmaOne Canalizzazione 1,25 MHz Cip rate 1,2288 Mchip/s Spreading code 64 chip Modulation rate 19,2 kbit/s Data Rate 14,4 kbit/s

L’avvio dello standard UMTS 1996: la DoCoMo sperimenta il CDMA a 2 Mbit/s Nel frattempo in Europa vi era stata la liberalizzazione dei servizi mobili e gli operatori avevano drasticamente ridotto gli investimenti in ricerca, cosicché gli studi sulla 3G erano passati quasi completamente nelle mani delle manifatturiere. Si costituirono due campi contrapposti sulla tecnica di accesso, simboleggiate dal modo di combinare i due versi di trasmissione: FDD (Frequency Division Duplex) TDD (Time Division Duplex) 1997: MoU fra TIM e NTT DoCoMo, la prima posizione di un operatore europeo a favore del CDMA

Gli standard del 3GPP e del 3GPP2 WCDMA (Wideband-CDMA) TD-CDMA (Time Division-CDMA; inutilizzato) TD-SCDMA (Time Division-Synchronous CDMA, lo “standard cinese”, per ora non utilizzato) cdma2000 1x (per canali da 1,25 MHz) cdma2000 3x (3 canali “1x” in parallelo; inutilizzato) cdma2000 1xEV-DO (EVolution-Data Optimized) cdma2000 1xEV-DV (EVolution-Data and Voice)

Schema semplificato del trasmettitore di una stazione base Sequenza pseudocasuale Codifica per la correzione degli errori di trasmissione Scrambling Codifica della voce Interleaving (Disordinamento) Spreading Inserzione della regolazione della potenza di trasmissione del mobile Modulatore Codice di identificazione della cella Codici ortogonali

L’interleaving A parità delle altre condizioni (tasso di errore medio, quantità di ridondanza, tempo di osservazione, ecc.), le codifiche sono tanto più efficaci quanto più gli errori sono distribuiti uniformemente nel tempo Per sparpagliare gli errori che capitano a folate si usa l’interleaving, ovvero il disordinamento dei bit prima della trasmissione con il corrispettivo riordinamento dopo la ricezione L’interleaving è semplice e poco costoso, ma comporta un ritardo di trasmissione, perciò deve essere limitato in profondità per i servizi “conversazionali”

Canali fondamentali delle stazioni Pilota (acquisizione iniziale) Sincronismo (aggancio e sincronizzazione dei terminali sui segnali delle stazioni) Paging (chiamate ai terminali) Controllo (gestione delle risorse) Traffico (voce e dati)

Canali fondamentali dei terminali Accesso (richiesta del terminale di un canale di comunicazioni) Controllo (gestione delle risorse) Traffico (voce e dati)

Il “Soft Handover” Nei sistemi CDMA celle adiacenti possono utilizzare le stesse frequenze, cosicché, nel passaggio da una cella ad un’altra, il terminale, con un solo ricetrasmettitore dotato di più correlatori, può stabilire connessioni con più stazioni contemporaneamente ed attuare un “soft handover” Affinché il terminale possa combinare i segnali di più stazioni occorre che ci sia un certo allineamento (sincronizzazione) fra tali segnali nel cdma2000 le stazioni sono sincronizzate mediante i riferimenti temporali del GPS (Global Positioning System) nel WCDMA il mobile misura la differenza fra i tempi di arrivo dei segnali, riporta la misura alla stazione base, e la rete provvede all’allineamento fra i segnali trasmessi verso il terminale

L’OFDMA e l’SC-FDMA

IL principio dell’OFDM Suddivi-sione in N flussi in parallelo Modulazione su f1 Flusso numerico da trasmettere Modulazione su f2 Modulazione su f3 Sommatore Modulazione su fN f2 f4 f1 f3 fN Spettro di frequenza del segnale OFDM Frequenza

La variabilità del canale OFDM Ampiezza della funzione di trasferimento del canale Sugli segnali a banda stretta componenti il segnale OFDM i cammini multipli di propagazione non creano distorsioni significative ma solo variazioni di ampiezza Canale radio Frequenza Inseguire variazioni di ampiezza è molto più facile che equalizzare distorsioni a banda larga, ma generare e demodulare in parallelo centinaia o migliaia di canali, anche se sono a banda stretta, implica pesanti carichi elaborativi

Schema di trasmettitore OFDM Flusso binario da trasmettere Convertitore serie/parallelo N sottosimboli di ki bit (il numero di bit può essere diverso da sottosimbolo a sottosimbolo). Il numero di bit del simbolo OFDM è M =  ki Associazione degli N sotto-simboli a N sottoportanti Campioni complessi che rappresentano le sottoportanti modulate (dominio della frequenza) N campioni complessi che rappresentano il segnale nel dominio del tempo entro un periodo di simbolo Trasformata inversa di Fourier Aggiunta del prefisso ciclico Convertitore digitale/ analogico Traslazione di frequenza (°) Il numero di bit può essere diverso da sottosimbolo a sottosimbolo

Schema di trasmettitore SC-FDMA N campioni complessi che rappresentano il segnale nel dominio del tempo entro un periodo di simbolo N campioni complessi che rappresentano N sottoportanti modulate (dominio della frequenza) N sotto-simboli di k bit ciascuno Flusso binario da trasmettere Conv. serie/ parall. Associazione a N sotto-portanti OFDM Costellazione per portante singola Trasformata di Fourier Trasformata inversa di Fourier Aggiunta del prefisso ciclico Convertitore digitale/ analogico Traslazione di frequenza

Associazione delle componenti SC-FDMA alle sottoportanti OFDM Utente a Utente b Utente c Utente d Frequenza Associazione a gruppi di sottoportanti contigue Frequenza Associazione a sottoportanti uniformemente distribuite Utente a Utente b Utente c Utente d

La convergenza fisso-mobile dal punto di vista di costi e tariffe

La convergenza: che cosa vorrebbe l’utente? Un solo telefonino personale da tenere sempre con sé, con i propri menu personalizzati, rubrica, agenda, memoria per messaggi, foto, musica, ... Un PC portatile con la disponibilità di connessione ad alta velocità ovunque Prezzi abbordabili Buona qualità delle comunicazioni Sicurezza Semplicità di utilizzo Ma c’è una “divergenza” fra le reti

I costi della rete fissa Linea fissa di accesso: costi indipendenti dall’uso Linea fissa di accesso: costi indipendenti dall’uso, eccetto la terminazione della telefonia Rete di trasporto Rete locale Trasporto: costi lievi Rete locale Escluso il costo della terminazione (dove si applica), investimenti e costi operativi sono largamente indipendenti dall’uso

Trasmissione dati sulla rete fissa Costi indipendenti dall’uso Tariffe “flat” con uso illimitato Percezione di gratuità della trasmissione di qualunque cosa, del download (volontario) di qualunque cosa e della ricezione (volontaria o no) di qualunque cosa A chi invia non c’è bisogno di far pagare i costi della “consegna” né per cose di valore né per cose fastidiose (virus compresi)

I costi della rete Mobile Collegamento radio condiviso: costi dipendenti dall’uso Collegamento radio condiviso: costi dipendenti dall’uso Trasporto: costi lievi Rete locale Rete locale Rete di trasporto Investimenti e costi operativi dipendono dall’uso

Trasmissione dati sulla rete mobile Se i costi dipendono dall’uso non si possono offrire tariffe con uso illimitato Tariffe a consumo con conteggio della quantità di byte che si trasmettono e che si ricevono Canone mensile con limite sulla quantità di byte che si trasmettono e che si ricevono Canone mensile con limite delle ore di connessione, in cui si cumula anche il tempo che si impiega per ricevere Preoccupazione dell’utente La convergenza fisso-mobile richiede una conciliazione dei piani tariffari

Note finali

Tecnologie critiche Fonti di alimentazione elettrica Amplificatori di potenza lineari Filtraggi a radiofrequenza Circuiti integrati (velocità di elaborazione e consumi bassi) SDR (Software Defined Radio) Tecniche per la sicurezza (virus, clonazioni) e la riservatezza (intercettazioni)

Commenti Le comunicazioni personali, con nuovi servizi ed in particolare con i servizi di infomobilità, prospettano ancora di importanti sviluppi Dal punto di vista dell’utente è altamente auspicabile la “convergenza fisso-mobile”, ma vi sono problemi tariffari da risolvere Alcuni aspetti critici riguardano le tecnologie, che diventano sempre più sofisticate; esse richiedono una solida preparazione di base insieme con approfondimenti specialistici mirati I progressi tecnologici combinati con le economie di scala faranno ridurre i costi e daranno agli operatori più flessibilità sulle tariffazioni