1. L’EVOLUZIONEDELLO SCENARIO DEI SERVIZI

I n molti oggi ci chiediamo quali saranno iprossimi passi significativi dello sviluppo

della Società dell’Informazione e, più in par-ticolare, quale “futuro tecnologico” attendail settore strategico dell’ICT (Information andCommunication Technologies) negli ormaiimminenti anni 2010. Sebbene la comples-sità degli scenari non ci consenta di fornireun quadro dettagliato, al contempo sembre-rebbe ormai delinearsi una serie di snodi tec-nologici nello sviluppo delle telecomunica-zioni le cui direttrici essenziali appaionoidentificabili sulla base delle innumerevoli li-nee di ricerca in corso negli Stati Uniti, in Eu-ropa e nell’Estremo Oriente. L’articolo cercadi rispondere al “perché” e al “come” la ban-da larga potrà presto incontrare la mobilità,senza le odierne limitazioni, completandonegli anni 2010 un lungo percorso avviatonegli anni ‘90 con la seconda generazione ra-diomobile (2G) del fortunatissimo GSM e poiproseguito negli anni 2000 con la più contro-versa terza generazione (3G).

L’abbondanza di banda è sempre più perce-pita come un fondamentale fattore abilitantedel progresso economico-sociale da renderedisponibile in via generalizzata. La globaliz-zazione dei mercati, infatti, rende indispen-sabile operare efficientemente attraverso In-ternet e ciò vale per la quasi totalità delle im-prese: la penetrazione degli accessi a bandalarga (sia fissi che mobili) è destinata perciòa essere sempre più motore di crescita e dibenessere.D’altra parte sta avvenendo rapidamente latransizione dal binomio telefono portati-le/personal computer all’unicità logica delcomputer d’individuo dotato di funzionalitàmultimediali, terminale personale indossa-bile che si articola in dispositivi con molte-plici capacità sensoriali, oltre che dotati difunzioni di calcolo e comunicazione. È alleporte, cioè, la rete d’area fisica o BAN (BodyArea Network) di dispositivi che, grazie al-l’abbondanza di indirizzi che sarà disponibi-le con l’avvento di IPv6, potranno esserepresenti in rete e indirizzabili sia singolar-mente che cumulativamente. La BAN sarà

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La situazione nel campo delle telecomunicazioni appare oggi molto pro-

mettente in termini di tecnologie emergenti e di nuovi sistemi, specialmen-

te wireless, che si affacciano sul mercato. L’articolo esamina il quadro

complesso che evolve verso la cosiddetta “Next Generation Network” e la

futura generazione radiomobile. L’obiettivo è concentrarsi sugli snodi tec-

nologici attualmente più accreditati, esaminando le caratteristiche di alcu-

ne delle tecnologie wireless che stanno affermandosi e che potrebbero

fornire la struttura portante delle reti d’accesso degli anni 2010.

Franco MazzengaCristiano Monti

Francesco Vatalaro

NUOVI SERVIZI A LARGABANDA E TECNOLOGIEPER LA MOBILITÀ

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3.4

parte di una rete virtuale globale sempre adisposizione dell’individuo che è always one che, in virtù della tecnologia “IP mobile”,si sposta in libertà mantenendo sempre lostesso indirizzo senza mai abbandonare larete virtuale globale.Se questo scenario solo pochi anni fa potevaapparire vagamente fantascientifico e al piùoggetto di studi e ricerche (per esempio, [1]),oggi costituisce ormai una parte della strate-gia della grande industria manifatturiera perla promozione di sistemi e servizi degli anni2010 [2]. Anzi, se si allarga l’orizzonte ad ac-cogliere ogni genere di oggetti, in particolarequelli dotati di mobilità, si osserva uno sce-nario ancora più ricco di attori: è stato stima-to, ad esempio, che in Giappone nel 2010 siavrà un numero doppio di oggetti mobili ri-spetto alla popolazione [3]. Gli individui,quindi, non saranno i soli nodi mobili dellarete virtuale globale: alle BAN si aggiunge-ranno reti d’area veicolare o VAN (VehicularArea Network) che potranno così interagire intempo reale con l’ambiente reale e virtuale:già oggi sono allo studio (e in parte imple-mentate) reti ad-hoc di autoveicoli [4].D’altra parte, per consentire l’efficiente inte-razione di BAN e VAN con Internet, gli ambien-ti del futuro presenteranno intelligenza im-mersa negli oggetti del mondo fisico, dotati dicapacità sensoriali e interconnessi con la retevirtuale globale; l’ambiente intelligente saràin grado di accrescere le facoltà degli individuipresenti fino al punto di assistere in temporeale gli stessi processi decisionali. Ciò richie-de di immergere nell’ambiente fisico sistemiautomatici per l’estrazione, l’elaborazione e iltrasferimento delle informazioni, che dovran-no anche essere autonomici (ossia in grado diconfigurarsi e manutenersi senza l’interventoumano) e consapevoli del contesto (in mododa adattare le condizioni del servizio al muta-re delle condizioni operative).Il mondo fisico e il mondo cibernetico tendo-no dunque a compenetrarsi in un “unicuminformativo”: l’informazione tende a diveniresempre più un bene condiviso attraverso lereti di sensori globali, e queste miriadi di sen-sori, prevalentemente connesse via rete wi-reless con tecnologie radio già in parte esi-stenti (per esempio, RFID, ZigBee ecc.), sa-ranno in grado di prelevare e pre-elaborare

enormi quantità di dati, oltre a gestire auto-nomamente il proprio stato e le connessionicon il mondo esterno.Esaminiamo ora brevemente alcuni degli am-biti applicativi in cui questi trend tecnologicipotranno farsi sentire attraverso la generazio-ne di nuovi servizi potenzialmente dirompenti.

1.1. Creazione e fruizione in tempo realedi contenuti personaliNel nuovo scenario tecnologico, i clienti delservizio divengono anche fornitori di conte-nuti: in altre parole, il ben noto paradigmanon-gerarchico di comunicazione proprio diInternet si espande nel mondo fisico quoti-diano e tutti i “nodi” della rete virtuale globa-le si comportano al contempo da produttori efruitori di contenuti multimediali. Questa re-te, potenzialmente a maglia completa, cau-serà la crescita rapida di traffico a banda lar-ga in piena mobilità. I sintomi di questo “pa-radigm shift” sono oggi già presenti: si pensiper esempio ai casi di videoclip raccolti sullascena con il telefono cellulare da passantiche si trovano casualmente in luoghi ove av-vengono eventi critici (atti di terrorismo, ge-sti criminali, eventi calamitosi ecc.) e che lirendono disponibili in tempo reale ai mezzidi informazione e alle autorità.Tutto ciò che oggi si fa con un computer, a ca-sa o in ufficio, e anche molto di più, potrà es-sere effettuato in strada per mezzo dellaBAN. Se l’interazione individuo-BAN-am-biente avverrà secondo modalità naturali(ossia con gli strumenti del corpo e senza ocon minima mediazione tecnologica), saràspontaneo sia acquisire che trasferire nelmondo virtuale ogni tipo di informazione echiedere assistenza remota per le più diverseattività umane: ciò determinerà l’esplosionedel trasferimento dati nelle reti mobili.Un’ulteriore spinta verso il processo di perso-nalizzazione dell’erogazione dei contenuti, nonpiù necessariamente in tempo reale, potrà av-venire con il progressivo cambiamento di pa-radigma del Web ordinario in “Web semantico”[5]. Possiamo prevedere a breve l’avvento di con-tenuti personalizzati, perfino assemblati dallastessa “Rete” secondo un profilo dinamico del-l’utente (le preferenze, il contesto, ma anchelo stato d’animo del momento, rilevati automa-ticamente dall’ambiente intelligente): per fare

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un esempio semplice, si può pensare alla pos-sibilità di erogare il “libro personalizzato”, conun contenuto assemblato al momento e con unalunghezza adatta alle circostanze della fruizio-ne (se sembra strano, si pensi all’odierno servi-zio offerto da http://www.dailylit.com/).

1.2. Streaming dei dati a tempo differitoe contenuti personalizzatiSe a fianco della banda larga si tiene contodell’abbondanza di memoria locale nellaBAN, si può prevedere, in aggiunta alle mo-dalità personali di creazione e fruizione deicontenuti in tempo reale di cui si è detto, an-che l’avvento del nuovo paradigma del “piùveloce del tempo reale”, previsto da A.Odlyzko nel 2001, inteso come rapidissima,quasi istantanea, acquisizione di contenutisull’unità periferica che li rende disponibiliper l’utente finale in qualunque momento esu qualsiasi supporto, secondo necessità [6].Ciò si connette anche agli studi in corso sullearchitetture di comunicazione, dette “info-stazioni”, in cui l’acquisizione del contenutoavviene in modo intermittente, se e quandola copertura del servizio è disponibile.La modalità tradizionale di consumo dei con-tenuti audio-video sta infatti evolvendo daun’attitudine meramente passiva, tipica delparadigma della diffusione in tempo reale,verso un modello attivo, come dimostrato dalsuccesso del “peer-to-peer” specialmentetra le giovani generazioni: d’altra parte giàoggi circa l’85% dei contenuti video distribui-ti dalle stesse reti commerciali radio-televisi-ve è costituito da materiale registrato [7]. Ciòdetermina una forte spinta verso il modellodello streaming a banda larga e alla costru-zione di palinsesti personalizzati da fruire intempo differito.

1.3. Virtualizzazione del mondo fisicoLe reti informative pervasive offrono anchenuove possibilità di gestione dei processi suscala planetaria: viste come enorme calcola-tore distribuito, potranno essere usate persupportare i processi decisionali umani diqualunque tipo. Si può prevedere allora l’av-vento della virtualizzazione, ossia della crea-zione di modelli virtuali del mondo reale [8]:grazie all’accumulo di informazioni, il mondovirtuale può generare modelli del mondo rea-

le. Sarà così possibile, attraverso questi mo-delli, fare predizioni di trend futuri con lostrumento simulativo, estrarre informazionedi valore mediante l’analisi comparata deidati e derivare capacità di “problem solving”attraverso l’esame delle modalità operativedei modelli. L’esercizio della predizione abreve-medio termine attraverso l’evoluzionedi modelli virtuali del reale che generano e si-mulano scenari alternativi in parallelo diverràuna modalità comune di supporto alle deci-sioni in ogni circostanza della vita quotidia-na. Il controllo remoto di processi e sistemicomplessi e distribuiti potrà perciò avvenireefficacemente e in tempo reale proprio invirtù della diffusione della banda larga ubi-qua, oltre che della disponibilità di potenti ri-sorse di calcolo distribuite.Nel seguito dell’articolo si esaminano le tec-nologie di accesso wireless abilitanti la ban-da larga necessaria all’avvento di questi nuo-vi servizi e di altri ancora non concepiti, nellaprospettiva dei sistemi degli anni 2010.

2. ARCHITETTURE DI RETED’ACCESSO

Per le reti di accesso wireless a banda largasembra oggi generalmente condivisa oggil’esigenza di sviluppare e standardizzare al-cune architetture chiave, in grado di rispon-dere almeno ai seguenti requisiti:❑ assicurare abbondante disponibilità dibanda potenzialmente simmetrica sulla linead’utente, ossia con capacità di traffico quan-to più possibile eguale nei due sensi del col-legamento;❑ garantire l’interoperabilità tra tecnologieeterogenee per consentire, oltre al consue-to handover orizzontale anche quello verti-cale tra standard diversi e la piena mobilitàin tutti i tipi di ambiente (aperti, semiaperti,chiusi);❑ consentire l’erogazione di servizi con lo-gica di fornitura integrata, ben oltre le pos-sibilità offerte dalla presente generazionetecnologica (per esempio connettività e ac-cesso ai contenuti indipendenti dal tipo diterminale e dalla collocazione geografica),con configurabilità semplificata (di tipoplug & play), senza le consuete limitazionidovute alla mobilità.

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2.1. Le reti a banda larga di prossimagenerazioneI maggiori operatori mondiali di telecomuni-cazioni stanno preparando le prospettive diservizio citate prima attraverso giganteschipiani di innovazione tecnologica della reteche, a partire dal 2008 e per tutti gli anni2010, dovrebbe acquisire la fisionomia com-pletamente nuova della cosiddetta NGN(Next Generation Network), caratterizzatadalla piena migrazione in tecnologia IP nonsolo della rete di trasporto ma anche della re-te di accesso (All IP). Secondo questi piani, laNGN è la rete completamente a pacchetto, ingrado di fornire i servizi di telecomunicazio-ne per mezzo di un gran numero di tecnolo-gie a banda larga (paradigma della “reteagnostica”), assicurando i livelli richiesti diqualità di servizio (QoS) e in cui le funzioniconnesse a ciascun servizio vengono ad es-sere indipendenti dalla specifica strutturatecnologica sottostante. Una NGN abilital’accesso indistinto da parte degli utenti allereti e ai fornitori di servizio e supporta la mo-bilità con indistinguibilità, nella percezionedel grado di servizio, tra l’ambito operativofisso e quello mobile. È evidente che la defi-nitiva migrazione tecnologica (dal circuito alpacchetto) che sarà compiuta con la NGN è lalogica conseguenza della forte progressionegià da tempo in atto nel trasferimento deiservizi su piattaforma IP, accelerata dall’av-vento del servizio VoIP (Voice over IP) ma cheben presto interesserà anche gli altri servizisvolti in tempo reale (per esempio la videote-lefonia e la videoconferenza).In aree metropolitane a forte e media densitàdi traffico si può prevedere il dispiegamento diuna struttura ottica ad alta velocità, dettaGPON (Gigabit Passive Optical Network), al-meno fino all’armadio di strada che serve unnumero limitato di condomini (tipicamente al-cune centinaia di utenze residenziali), mentrela rete di accesso, nella sua componente wire-less, quantomeno a livello di coperture urbanein aree aperte e semiaperte, potrà basarsi sul-l’impiego di soluzioni Radio over Fibre (RoF)già introdotte da tempo ma che solo negli ulti-mi anni stanno venendo a maturazione tecno-logica e applicativa [9]. La radio su fibra è unatecnologia adatta ad irradiare e a captare se-gnali a radiofrequenza (RF) per mezzo di Re-

mote Access Unit (RAU) collocate negli armadidi strada. Ne consegue che tutte le funzioni dielaborazione di segnale (codifica/decodifica,multiplazione/demultiplazione, generazionedei segnali a RF, cancellazione dell’interferen-za ecc.) sono eseguite nella cosiddetta CentralStation (CS) collocata entro la rete di trasportoottica, di norma ben lontano dalle RAU, e nonpiù, come oggi è consueto, nella stazione basetipica dei sistemi cellulari. Molte stazioni cen-trali possono perciò essere concentrate in po-chi siti (che prendono la denominazione signi-ficativa di “Hotel di stazioni base”), riducendofortemente i costi di manutenzione e di ap-provvigionamento delle scorte.Pertanto, il segnale che transita fra la CS e laRAU ha natura ottica e, nel caso più semplice,la RAU include soltanto i convertitoriottico/elettrico e viceversa, gli amplificatori aRF (quello di potenza e quello a basso rumore,rispettivamente in emissione e in ricezione),un diplexer e l’antenna. Centralizzando nellaCS tutte le complesse funzioni di elaborazionedi segnale, le piccole RAU sono semplici e po-co costose. Poiché, inoltre, il trasporto otticoè trasparente e la banda disponibile è amplis-sima, un vantaggio ulteriore di questa archi-tettura è rappresentato dalla possibilità di tra-sportare assieme segnali che rispondono amolteplici standard. La tecnologia RoF si pre-sta dunque a facilitare la convergenza tecno-logica tra sistemi cablati e wireless e, per glioperatori che forniscono un’offerta integratafisso/mobile, agevola l’evoluzione gradualedalla 3G alla prossima generazione radiomo-bile. Soluzioni RoF con trasporto da/versol’armadio di strada in tecnologia WDM (Wave-length Division Multiplex) sono considerate leestensioni naturali della rete di trasporto perintegrare in modo ottimale l’accesso a bandalarga con le infrastrutture metropolitane ba-sate sugli anelli ottici esistenti (Figura 1).Nel contempo è prevista anche l’evoluzionedelle reti cellulari, la cosiddetta LTE (LongTerm Evolution), con lo sviluppo delle primereti a partire dal 2009, basata su una nuovainterfaccia radio OFDM (Orthogonal Fre-quency Division Multiplex) con velocità ditrasmissione di molte decine di Mbit/s conterminali in mobilità veicolare. Anche per laLTE, che dovrà interlavorare con le attuali retimobili a standard 3GPP (3rd Generation Part-

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nership Program), l’architettura di rete è apacchetti del tipo All IP.

2.2. Le reti rurali wirelessÈ improbabile che una o poche architettured’accesso possano risultare adatte alle con-dizioni che si presenteranno nei diversi ambi-ti operativi. Sono, perciò, in fase di messa apunto piani per l’allestimento di reti rurali,volte soprattutto a contrastare il fenomenodel digital divide infrastrutturale, ossia il ri-tardo che si sperimenta in vaste aree geogra-fiche nella realizzazione degli accessi a ban-da larga, che rischia di divenire persino cre-scente con l’avvento della NGN (e della LTE)nelle aree metropolitane. In Italia la bandalarga è indisponibile in quasi tutti i Comuniinferiori a diecimila abitanti. Da un punto divista logico, le architetture per le reti rurali di-stinguono tre elementi principali:❑ dorsale di trasporto (o backbone);❑ connessione locale (o “ultimo miglio”);❑ distribuzione negli ambienti interni degliedifici.La dorsale ha il compito di veicolare il traffi-co da/verso i Comuni non raggiunti dal ser-vizio a banda larga. Essa realizza la connes-sione nelle località che dispongono di POP(Point Of Presence), ossia punti di accesso abanda larga ad Internet, pubblici o privati,per poi renderla disponibile nei Comuni do-ve essa non è presente. La dorsale può es-sere realizzata con mezzi cablati (fibra otti-ca) o in ponte radio (ad esempio attraversogli standard HiperLan, WiMAX, ecc.) o consoluzioni ibride.All’interno di ciascun Comune, il backbone sipuò attestare per esempio in corrispondenzadi un edificio pubblico (per esempio, il Muni-

cipio); sul territorio comunale la connessioneè resa disponibile in modalità wireless conl’utilizzo di apparecchiature che impieganosoluzioni Wi-Fi, HiperLan2 o WiMAX.Affinché si possa utilizzare il servizio, il sog-getto gestore della rete deve dotare l’utentedell’hardware di trasmissione occorrente,detto CPE (Customer Premises Equipment),e del kit di configurazione software. A se-conda della tecnologia radio scelta per l’ul-timo miglio e delle condizioni di ricezionenel sito di utente, si possono avere configu-razioni differenti nella distribuzione locale:la CPE può essere in esterno (outdoor) e intal caso la distribuzione interna avviene viacavo; alternativamente, in taluni casi è pos-sibile ricevere il segnale all’interno dell’edi-ficio con CPE collocata in indoor, in prossi-mità del personal computer dell’utente. Nelcaso di ricezione comunitaria, infine, l’ap-parecchiatura ricevente è opportunamentecollocata sul tetto della sede dell’utente(per esempio, sede della Pubblica Ammini-strazione, impresa o condominio in caso diutenza residenziale) e la connettività indivi-duale all’interno dell’edificio viene assicu-rata comunque via cavo (con possibile ri-conversione in wireless anche a coperturaparziale Wi-Fi).Una possibile architettura implementativa èriportata nella figura 2: in essa si distingueun backbone di trasporto realizzato tramiteanello ottico in tecnologia Giga o MPLS se-guito da una sezione Ethernet in ponte ra-dio (HiperLan, ponti radio SDH ecc.). Seguela connessione periferica, in rete wirelessattuabile per mezzo di qualsiasi tecnologiadisponibile, tra cui HiperLan2, Wi-Fi, Wi-Max, e, infine, la rete di distribuzione indoordi cui si è detto.

2.3. Alternative nelle architetture di retewirelessPer ottimizzare il trasporto e la distribuzionenelle reti extraurbane a banda larga, sono an-che all’esame nuove architetture wireless cherappresentano un’evoluzione delle infrastrut-ture di accesso tipiche dei sistemi cellulari. Ba-sate sulla trasmissione Punto-MultiPunto(PMP), come è noto, le architetture cellulariprevedono che una stazione base serva unamolteplicità di terminali nell’area di copertura

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RNC Nodo 1

Nodo 1 Nodo N

Nodo N

Centrale

Sezione RF

Anello in fibra

Anello in fibra

Modello Mux/Demux

λ1

λ1

λ1 .. λN

λN

λN

HUB CU

FIGURA 1Esempio

di architetturad’accesso in area

metropolitana

ad essa assegnata. La configurazione cellulareha consentito, anche in Paesi che come l’Italiapresentano ardue condizioni orografiche, lacopertura pressoché totale a livello nazionaleper i servizi in fonia in tempi brevi (soltantoqualche anno), ma non si presta altrettantobene a coperture generalizzate per servizi abanda larga, almeno per il prossimo futuro.Per aumentare con la classica infrastrutturacellulare la capacità di traffico che è richiestadai nuovi servizi a banda larga occorrerebbeallestire un ragguardevole numero di Stazionibase, a cui corrisponderebbero alti costi (siaCAPEX che OPEX) e difficoltà serie per l’opera-tore di garantirsi un ritorno degli investimentiin tempi generalmente considerati accettabili(ciò spiega anche, almeno in parte, l’avventodelle reti rurali a banda larga di cui si è detto).La ricerca di nuove soluzioni di architettura direte wireless è dunque volta alla riduzionedei costi sia di allestimento che di manuten-zione, specialmente nelle zone rurali e in pic-coli comuni isolati, oltre alla rapidità di in-stallazione dei punti di accesso. Una primasoluzione, proposta nell’ambito del gruppodi lavoro IEEE 802.16j, considera reti di ac-cesso in cui sono presenti unità che eseguo-no la memorizzazione e il successivo rilanciodei pacchetti (relay) trasmessi da un utenteverso la stazione base che serve l’area.Un esempio di Rete Wireless Relay (WR), èmostrato nella figura 3 A: tutti i percorsi di co-municazione nella rete WR si devono chiude-re sull’unica stazione base servente e le pro-cedure che realizzano l’inoltro del traffico intale rete richiedono di agire soltanto a livello

MAC (Medium Access Control), senza preve-dere meccanismi di instradamento dei pac-chetti. Tra le caratteristiche principali diun’architettura di rete WR citiamo:❑ la compatibilità all’indietro, ovvero la possi-bilità per un terminale fisso o mobile confor-me allo standard preesistente di operare sen-za modifiche nella nuova struttura di rete conrilancio dei pacchetti;❑ l’inammissibilità di percorsi di comunica-zione diretti tra terminali (come per le reti cel-lulari convenzionali);❑ la flessibilità operativa della Stazione Re-lay (Relay Station, RS) che può essere fissa,trasportabile o mobile, può essere completa-mente trasparente o può memorizzare i pac-chetti degli utenti ad essa collegati per inol-tro successivo (store and forward);❑ la possibilità di inoltro simultaneo del pac-chetto attraverso percorsi di comunicazionediversi a partire da RS diverse che coprono lostesso terminale (Cooperative Relay), checonsente di migliorare le prestazioni radio at-traverso l’uso di tecniche di diversità in rice-zione alla stazione base.

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PSTN

Anello in fibra

WirelessPMP

Access

HiperLan2Wi-Fi

Wi-Max

WirelessPTP

BackhaulHiperLan,

Ponti radio SDH

Backhaul fibra:Giga Ethernet

O MPLS

GlobalInternet

FIGURA 2Esempiodi architetturad’accesso in arearurale

BSBS

RS RS SS SS SS

SS SS

A) Wireless Relay B) Wireless Mesh

FIGURA 3Architetture di rete:A) Wireless Relay eB) Wireless Mesh

Una rete WR pertanto consente di estenderela copertura soprattutto in aree geograficheampie, migliorare il throughput e la qualitàdi servizio (QoS) anche per utenti che in unaconvenzionale rete PMP sono collocati albordo della cella, aumentare la capacità disistema, salvaguardare la durata delle bat-terie dei terminali e, infine, ridurre comples-sità e costi del sistema soprattutto in fase diavvio della rete.A fronte dei vantaggi, per questo tipo di retiesistono anche limitazioni, principalmentelegate alla struttura topologica ad albero. Inprimo luogo, nell’ipotesi in cui tutti i collega-menti abbiano la stessa capacità di trasmis-sione e supponendo di allocare le risorse inmodo equo tra i nodi, si ha un frazionamentodella banda disponibile nel transito attraver-so il singolo nodo dell’albero: di conseguen-za la banda offerta agli utenti serviti dalla ge-nerica RS dipende dalla profondità dell’albe-ro e quindi dal numero di salti che il pacchet-to inviato da un utente verso la stazione basedeve compiere (di regola, alberi con profon-dità superiore a tre sono considerati imprati-cabili). In secondo luogo, se un collegamentolungo l’albero va fuori servizio, parte dell’a-rea di copertura che fa riferimento alla sta-zione base potrebbe risultare non coperta enon è possibile reinstradare i pacchetti versoaltri nodi per la ritrasmissione.Per ovviare, almeno in parte, a questi due in-convenienti si può considerare un’architet-tura di rete a maglia (mesh), in cui i nodi RSrealizzano a loro volta funzioni di instrada-mento dei pacchetti. Di conseguenza l’archi-tettura evolve in quella di figura 3 B, rappre-sentativa di un caso particolare di una ReteWireless Mesh (WM).Con riferimento alla figura 3 si osserva che lefunzionalità di tutti o parte dei nodi relay cherealizzano la sottorete, devono essere estesedalla semplice operazione di rilancio (brid-ging) all’operazione di instradamento (rou-ting) con conseguente aumento della com-plessità realizzativa e dei costi. Per gestire almeglio la complessità di questa rete solita-mente si richiede che i router che la compon-gono siano in grado di:❑ autoriconfigurarsi, soprattutto quando unnuovo apparato viene inserito all’interno dellarete già operante (caratteristica plug & play);

❑ reinstradare in modo ottimale i pacchettidegli utenti tenendo conto dello stato di occu-pazione dei singoli collegamenti al fine di ga-rantire agli utenti la desiderata qualità del ser-vizio, QoS (scheduling ottimo delle risorse);❑ reinstradare i pacchetti anche in caso diguasto di uno o più nodi della rete (il cosid-detto self-healing).In una rete Wireless Mesh come quella ripor-tata nella figura 3 B i terminali di utente acce-dono soltanto attraverso i nodi fissi della re-te; tuttavia, in alcune architetture di rete puòessere previsto che i terminali siano in gradodi realizzare in modo spontaneo una rete tradi loro sulla base di esigenze specifiche delmomento. Tale rete può essere autonoma daquella dell’operatore e, siccome in generalenon ha un’architettura predefinita, viene an-che detta rete ad-hoc. Le reti ad-hoc con nodimobili sono allo studio da tempo in virtù del-la loro naturale adattabilità a operare in am-bienti fortemente dinamici, in cui non è previ-sta la presenza di un’infrastruttura pre-esi-stente, come ad esempio in caso di catastrofinaturali o in altre situazioni d'emergenza, maper servizi che richiedono coperture wirelessa banda larga permanenti presentano per lopiù interesse secondario.

3. TECNOLOGIEPER L’INTERFACCIA RADIO

Nei sistemi futuri la necessità di permettereun trasporto con alti valori di ritmo binario ri-chiede l’impiego di tecniche di trasmissioneadatte a operare correttamente anche in pre-senza di severe condizioni del canale. Unodegli aspetti principali riguarda, perciò, lascelta dell’interfaccia radio che deve rispon-dere a vari requisiti, tra cui:❑ supportare alti valori di ritmo binario (inmovimento almeno 100 Mbit/s nel downlink e50 Mbit/s nel uplink; almeno 1 Gbit/s in con-dizioni stazionarie), garantendo al contempoun’alta efficienza nell’uso dello spettro;❑ fornire un livello fine di granularità del ritmobinario nell’accesso al mezzo, per facilitare unadattamento efficiente tra i canali sull’inter-faccia radio e i canali di trasporto sovrastanti;❑ consentire scalabilità di traffico, anche rea-lizzando combinazioni di traffico a burst econtinuo;

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❑ essere flessibile per adattarsi a differentiscenari (ambienti indoor e outdoor, configu-razioni con microcelle e con macrocelle ecc.);❑ consentire di operare con terminali aventicaratteristiche eterogenee;❑ supportare collegamenti wireless a cortoraggio realizzati con varie tecnologie;❑ interoperare con sistemi a standard diffe-rente;❑ presentare bassa complessità ed essererobusta per operare in condizioni severe del-la propagazione e dell’interferenza.Pur senza addentrarsi nelle molteplici solu-zioni tecnologiche proposte per lo strato fisi-co delle reti wireless del prossimo futuro,sembra opportuno concentrarsi su alcune trale principali soluzioni che potrebbero garan-tire il rispetto dei necessari requisiti.

3.1. Radio cognitivaPer soddisfare alle esigenze dei servizi futurioccorre disporre di risorsa spettrale in abbon-danza e a basso costo, specialmente nellabanda 1-3 GHz che è oggi quella più contesae, in prospettiva, anche al di sotto di 1 GHz,per avvantaggiarsi del cosiddetto “dividendodigitale” che presumibilmente potrebbe esse-re ricavato dalla prevista maggiore efficienzaspettrale connessa alla numerizzazione dellatelevisione commerciale.Come è noto l’approccio attuale nella regola-mentazione dell’uso dello spettro è tale percui ai radiosistemi sono assegnate bande difrequenza fisse, con limiti prefissati nelle po-tenze di emissione che hanno lo scopo di ri-durre la portata radio. Così facendo, il fattoredi utilizzo medio di alcune bande è basso acausa dell’allocazione inefficiente su vastearee geografiche a servizi che le sottoutiliz-zano, oltre che per il ricorso a ampie bande diguardia, che può risultare ormai eccessivo invirtù del progresso tecnologico. Risale al lon-tano 1994 l’intuizione di P. Baran della neces-sità di un ripensamento radicale della politi-ca di allocazione dello spettro [10]: da allorasi sono fatti molti passi avanti in questa dire-zione e oggi negli Usa alcuni movimenti d’o-pinione sostengono molto energicamente lacosiddetta politica dell’open spectrum [11].Anche la Commissione europea da tempoesamina il problema di tecniche innovativeper un uso più efficiente dello spettro [12].

Se l’attuale meccanismo regolamentare an-cora si basa sul principio di garantire prote-zione contro le interferenze in modo staticoipotizzando l’impiego di ricevitori privi di in-telligenza, la tecnologia tra breve renderà di-sponibili soluzioni adattative, sia per il conte-nimento che per la cancellazione delle inter-ferenze, che aprono la porta a modalità nuo-ve di impiego compartecipato dello spettro:una soluzione pratica interessante, su cui sista lavorando in Europa, è lo spectrum lea-sing, ossia l’affitto di porzioni spettrali daparte del legittimo assegnatario sotto condi-zioni di non interferenza [13].Un uso più flessibile della risorsa spettrale im-plica che gli apparati radio debbano esseredotati di funzioni di monitoraggio dello spet-tro e che siano in grado di adattarsi immedia-tamente alle condizioni della trasmissione suuna banda anche molto larga (adaptive ra-dio). Se al concetto di radio adattativa si af-fianca quello legato all’analisi dell’ambienteradio e alla capacità di apprendimento si parladi cognitive radio. Alcune della caratteristichedi una radio cognitiva includono la determina-zione della posizione, il monitoraggio dell’usodello spettro anche con l’ausilio di dispositivivicini, il cambio di frequenza, il controllo di po-tenza e, infine, l’alterazione dei parametri edelle caratteristiche della trasmissione; tuttoquesto dovrebbe determinare le condizioniper un uso adattativo dello spettro cui potràcorrispondere un significativo incremento diefficienza spettrale. Infatti, scegliendo di tra-smettere in accordo con un insieme di regoleatte ad evitare le interferenze e a garantireuna preassegnata qualità di servizio, una ra-dio cognitiva attua l’uso dinamico delle bandedi frequenza, identificando e impiegando inmodo opportunistico le regioni spettrali nonutilizzate o sottoutilizzate.L’approccio della cognitive radio potrebbe in-cidere fortemente sulle regole future di im-piego dello spettro. Per esempio in NordAmerica è attiva l’iniziativa IEEE 802.22 tesaa definire una nuova interfaccia radio WRAN(Wireless Regional Area Network) per l’ac-cesso a banda larga (Internet, trasporto didati, fonia e streaming video) in aree rurali eremote con tecniche radio cognitive nellebande di guardia televisive non utilizzate (ilcosiddetto “white space”), avvantaggiandosi

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delle caratteristiche particolarmente favore-voli della propagazione in VHF e nella partebassa della UHF.

3.2. Antenne adattativeL’adattatività è un concetto che si sta affer-mando ai vari livelli di progetto dei sistemiradio; storicamente, forse il primo ambitoapplicativo è quello delle antenne. Per mi-gliorare la qualità del collegamento radiofisso o mobile in presenza di fading già gliattuali sistemi 3G consentono l’impiego ditecniche di trasmissione che sfruttano la di-sponibilità di schiere di antenne per la for-mazione del fascio (o beam-forming), ovve-ro sistemi di antenne con caratteristiche diirradiazione adattative che ne consentonol’orientamento del fascio in una specifica oin un insieme specifico di direzioni. In que-sto modo oltre a dirigersi in modo da cattu-rare i segnali desiderati e, reciprocamente,da irradiare nella direzione richiesta, le an-tenne adattative possono sopprimere l’in-terferenza che proviene da altri siti trasmit-tenti. Le antenne adattative rappresentanouna tecnica molto efficace per migliorare ilriuso di frequenza e quindi la capacità ditraffico delle reti a banda larga.

3.3. Comunicazioni opportunisticheI vantaggi dell’impiego compartecipato dellerisorse radio, già esaminati con riferimento al-l’uso cognitivo dello spettro, si consideranooggi anche sotto altri punti di vista, attraversoi nuovi concetti di “comunicazioni opportuni-

stiche”. Il mezzo radio è soggetto al fenomenodel fading dovuto all’interferenza, per lo piùdistruttiva, tra raggi elettromagnetici che per-corrono cammini diversi e che si compongonovettorialmente (scattering): questo fenome-no, che genera fluttuazione del livello di se-gnale nel tempo (ma anche in spazio e in fre-quenza), secondo l’approccio classico, vieneconsiderato un difetto della trasmissione a cuiporre rimedio. Mentre nei sistemi a bandastretta occorre ricorrere all’imposizione di unmargine di potenza fisso, talvolta anche gran-de, e/o al controllo automatico di potenza (odi guadagno), i sistemi a banda larga possonoadoperare tecniche di equalizzazione adatta-tiva basate sulla stima del canale.Tuttavia, se si è in grado di trasmettere soloquando l’interferenza dei raggi elettroma-gnetici risulta costruttiva, il fading può addi-rittura conferire un guadagno e non determi-nare una perdita1. Se, poi, il canale è usato incompartecipazione tra molti utenti e il fadingagisce indipendentemente sui diversi colle-gamenti, si può pensare di adoperarlo siste-maticamente a vantaggio di quel collega-mento che risulti istantaneamente nelle con-dizioni più favorevoli, ottenendo così un gua-dagno che viene detto da “diversità multiu-tente” senza che ne discenda la riduzione deltempo di utilizzo, e quindi della capacità disistema. Pertanto, in un collegamento trastazione base e molti terminali mobili, la sta-zione base può “opportunisticamente” tra-smettere in ogni intervallo di tempo disponi-bile verso quel terminale che vede in condi-zioni più favorevoli (Figura 4).La riduzione della potenza media di trasmis-sione che ne consegue, determina minore in-terferenza e quindi un maggiore aggregato didati trasmessi per unità di tempo (più alto va-

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FIGURA 4Concetto di guadagno per diversità multiutente

1 Ciò richiede naturalmente interventi rapidi basati sul-la stima a breve termine del comportamento del si-stema di trasmissione, differentemente dalle tecni-che che eseguono medie sul fading, come per i si-stemi MIMO di cui si dirà più avanti. Si può osserva-re, di passaggio, un’interessante e curiosa analogiacon il caso della compravendita di azioni che può far-si nel lungo periodo (filtrando così le fluttuazioni ve-loci del mercato) oppure con il sistema del tradingonline quasi istantaneo che sfrutta proprio correla-zione a breve termine e dinamica limitata delle flut-tuazioni dei titoli delle aziende quotate in Borsa.

Picco per utente 1

Utente 1

Utente 3

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Tempo

SNR Picco per utente 2

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lore del throughput di sistema). Più ampia è ladinamica delle fluttuazioni, più pronunciatisaranno i picchi e maggiore può risultare ilguadagno di diversità multiutente: inoltre,qualora l’ambiente presenti scattering mode-sto oppure le fluttuazioni siano tanto lente danon consentire al sistema di attendere che siraggiunga il picco, è anche possibile indurredi proposito le fluttuazioni alla stazione base.

3.4. Modulazione e codifica adattativeUn’altra tecnica dinamica usata è la modula-zione adattativa, in virtù della quale il tra-smettitore può cambiare il formato di modu-lazione del segnale in relazione alle condizio-ni del canale: quando la qualità del collega-mento è buona si possono usare schemi dimodulazione come la 64-QAM (64-quadratu-re amplitude modulation), che presenta effi-cienza spettrale di 6 bit/s/Hz; se durante latrasmissione le condizioni del canale peggio-rano, si può cercare di mantenere inalteratala qualità di trasmissione cambiando la leggedi modulazione, per esempio passando alQPSK (Quadrature Phase Shift Keying), conefficienza spettrale di 2 bit/s/Hz. Infatti, alcambiamento di formato di modulazione èassociata la variazione di valore del rapportotra la potenza utile e la potenza disturbante(SNR) necessario per conseguire il richiestovalore di tasso di errore (BER). A parità dispecifica, modulazioni con più bassa effi-cienza spettrale richiedono SNR relativamen-te basso (per esempio si hanno 9 dB nel casodel QPSK per BER pari a 10–6); modulazionipiù efficienti a parità di BER richiedono valoridi SNR considerevolmente più elevati (circa22 dB nel caso del 64-QAM).A questa tecnica può agevolmente associarsianche la codifica di canale nelle sue due va-rianti della correzione d’errore o FEC (ForwardError Correction) e della richiesta di ritrasmis-sione o ARQ (Automatic Retransmission re-Quest). La codifica adattativa, ad esempiopuò realizzarsi in modalità FEC con codici con-voluzionali in cui viene modificato il ritmo dicodifica, oppure, nei casi in cui la trasmissio-ne non sia sensibile al ritardo, sostituendo alcodice convoluzionale classico un codice tur-bo che prevede l’uso di un canale di retroazio-ne.Come conseguenza, l’impiego della modula-

zione e codifica adattativa determina la va-riabilità del raggio di copertura, come mostrala figura 5: giacché la potenza ricevuta decre-sce con la distanza, se la potenza trasmessaè costante a parità di potenza di disturbo,utenti più vicini alla stazione base misuranovalori elevati di SNR e possono quindi utiliz-zare formati di modulazione con efficienzaspettrale più elevata (16-QAM o 64-QAM);d’altra parte gli utenti più lontani sono gene-ralmente soggetti a valori più bassi di SNR equindi possono essere raggiunti con modu-lazioni meno efficienti (BPSK o QPSK). Di-scende come conseguenza la dipendenza delritmo binario dalla distanza, causa principaledella riduzione di velocità di download da In-ternet che si sperimenta nell’allontanarsidalla porta d’accesso al servizio.

3.5. Modulazioni multiportanteUn canale radiomobile a banda larga, B, è ca-ratterizzato sia da un comportamento nonstazionario, dovuto alla mobilità di uno o en-trambi i terminali, che dal fading causato dal-la multipropagazione dovuta agli ostacoli;perciò la funzione di trasferimento tempo-va-riante H (f, t) è rappresentata per mezzo di unmodello di canale fading selettivo in tempo ein frequenza. Idealmente, H (f, t) dovrebbeapparire quasi costante al segnale in transi-to, sia in tempo che in frequenza: ciò signifi-ca che il massimo sparpagliamento dei ritar-di (o delay spread) risulterebbe molto minoredel tempo di simbolo, TS ≈ 1/B, e rispettiva-

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FIGURA 5Modulazione adattativa e copertura

QPSK

16 - QAM

BPSK

64 - QAM

mente il tempo di coerenza (inverso dellosparpagliamento Doppler) sarebbe moltopiù grande di TS.Ciò non si verifica nella trasmissione a bandalarga, e quindi se si usa un sistema di tra-smissione convenzionale a singola portantel’equalizzazione di canale può anche risulta-re assai complessa; inoltre nel canale tempo-variante anche la stima del canale deve esse-re eseguita più frequentemente e quindi cre-sce l’overhead relativo. Le potenzialità chepresenta un sistema multiportante, flessibilee adattativo come l’OFDM (Orthogonal Fre-quency Division Multiplex), si mostrano par-ticolarmente utili in canali radio tempo-va-rianti e selettivi in frequenza.Come è noto, il principio dell’OFDM consistenel dividere la banda B in N parti, in modo daottenere canali a banda stretta, non selettiviin frequenza, di larghezza B/N; in ciascunasottobanda sono trasmessi dati a ritmo bina-rio ridotto (di N volte) che sono modulati suportanti ortogonali (i segnali modulati perciòsi sovrappongono dando luogo a efficienzaspettrale ottima). La figura 6 confronta i duecasi di trasmissione sequenziale di segnalisu singola portante e di trasmissione multi-portante OFDM su canali in parallelo.In virtù dell’ortogonalità tra le sottoportanti,idealmente non si ha interferenza tra i canaliin parallelo; inoltre, grazie all’uso di un op-portuno tempo di guardia, TG, associato adogni simbolo (detto “prefisso ciclico”), si eli-

mina anche l’interferenza intersimbolo (ISI).In pratica, ciò si mantiene vero purché TG siastato scelto maggiore del massimo valore didelay spread previsto e il tempo di simbolonel canale a banda stretta TS = N TS risulti mi-nore del tempo di coerenza.Sotto queste condizioni l’equalizzazione diciascun canale a banda stretta si riduce a sti-mare un solo coefficiente complesso del cana-le per ciascuna sottoportante. La stima si puòeseguire inserendo un simbolo pilota noto nelformato dati in trasmissione: sulla base deisimboli pilota il ricevitore può stimare la fun-zione di trasferimento di ogni canale in ogniistante per interpolazione e ogni segnale disottoportante può essere demodulato coeren-temente. Alternativamente, può adottarsi lademodulazione differenziale che evita l’usodei simboli pilota. Risultati sperimentali convalori di ritmo binario di oltre 100 Mbit/s han-no riportato BER minori di 10–4 in canale affet-to da fading veloce e delay spread di circa 2 µsnella banda dei 5 GHz, con terminali in movi-mento alla velocità di oltre 200 km/h. [14].

3.6. Sistemi multiantennaUn approccio di diversità di spazio tramiteantenne multiple, sia trasmittenti che rice-venti, nel canale wireless è in grado di estrar-re il segnale con caratteristiche variate e incondizioni quanto più possibile indipendentisu più vie in parallelo. In origine la diversitàdi spazio veniva applicata solo in ricezione

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Sottoportantia banda larga

Singola portante OFDM

Frequenza

Tempo

Frequenza

Sottoportantia banda stretta

S0

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S3

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S5

S0 S1 S2 S3 S4 S5

FIGURA 6Trasmissioni

a portante singolae multipla

per ottenere repliche del segnale che, in virtùdell’indipendenza dei modi di trasmissione,con alta probabilità non sono soggette allostesso trattamento da parte del mezzo tra-smissivo e quindi, sempre con alta probabi-lità, non sono tutte soggette a condizioni difading profondo.Il modello di trasmissione multicanale MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) [15] attua ladiversità di spazio con l’impiego di una mol-teplicità di elementi d’antenna, realizzandouna schiera d’antenna composta di N ele-menti nel lato emittente e di altri M nel lato ri-cevente (Figura 7). Se si considera il segnalein uscita alla j-esima porta lato ricezione pereffetto del segnale all’entrata dell’i-esimaantenna lato emissione (assumendo inattivetutte le altre porte d’entrata k ≠ i), si può de-finire il guadagno di segnale gij e, ripetendola procedura per tutte le porte d’entrata ed’uscita, si costruisce la matrice dei guada-gni di canale [gij]. In un sistema TDD (Time Di-vision Duplex) con separazione temporaletra emissione e ricezione del terminale (il co-siddetto duplex time) minore del tempo dicoerenza del canale questa informazione èposseduta dall’emettitore, in quanto il cana-le è reciproco. Nel caso FDD (Frequency Divi-sion Duplex), in cui la risorsa di trasmissioneviene suddivisa tra emissione e ricezione neldominio della frequenza, deve esistere uncanale di ritorno dal ricevitore al trasmettito-re per fornire esplicitamente a quest’ultimol’informazione di stato del canale, detta CSI(Channel State Information).Sono casi speciali di una configurazione MI-MO le seguenti architetture:• SIMO (Single-Input Multiple-Output), ca-ratterizzato da N = 1, M > 1;• MISO (Multiple-Input Single-Output), ca-ratterizzato da N > 1, M = 1.Nel SIMO si attua la diversità in ricezione at-traverso tecniche di elaborazione di segnalenella schiera ricevente: la diversità in ricezio-ne è il caso classico che si attua attraverso leben note tecniche di selezione o di combina-zione del segnale.Nel MISO, viceversa, si attua la diversità sol-tanto in emissione. La diversità in emissioneè realizzata attraverso varie tecniche moltostudiate al giorno d’oggi. La MISO può at-tuarsi sia attraverso una tecnica ad anello

chiuso che attraverso una tecnica ad anelloaperto: la prima, che può considerarsi dualedella diversità in ricezione, prende la formadi elaborazione di schiera in emissione; vice-versa, la diversità in emissione ad anelloaperto è un approccio relativamente nuovoche consente al progettista di spostare il cari-co di elaborazione dal terminale alla stazionebase ove è collocata la schiera d’antenna.In un sistema MISO si può avere completa olimitata CSI, ovvero si può operare in assenzadi tale informazione: per completa CSI si in-tende la piena conoscenza, istante per istan-te, della matrice di canale MIMO [gij]. Il princi-pale problema associato alla diversità di tra-smissione ad anello aperto consiste nellamancanza di conoscenza della CSI. Pertantosi deve adottare una tecnica di codifica di ca-nale robusta, in grado cioè di garantire buo-ne prestazioni per un’ampia casistica di con-dizioni del canale. Nel caso dell’anello apertosono possibili tre diverse implementazioni:• trasmissione ripetuta, che prevede cheogni antenna trasmetta la stessa informazio-ne accompagnandola con una univoca formad’onda di firma;• diversità di ritardo ove ogni antenna trasmet-te la stessa informazione in tempi differenti enon è necessaria alcuna forma d’onda di firma;• codifica spazio-tempo o STC (Space-Time Co-ding) in cui, oltre all’impiego della diversitàspaziale, i simboli vengono codificati senza al-cuna informazione proveniente dal ricevitore.La STC combina i benefici della codifica FEC e

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N

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M–1

M

g11

gNM

g N1

g N M-1

g12

g1M

G = [gij] Guadagno di canale.Matrice (N × M)

FIGURA 7ConfigurazioneMIMO e matrice deiguadagni di canale

della diversità di spazio ma, a differenza del-le consuete implementazioni del FEC, nonimplica allargamento di banda, in quanto laridondanza è applicata nello spazio attraver-so le diverse antenne e non in tempo o in fre-quenza. Un esempio di STC è fornito dal bennoto codice di Alamouti (N =2, M =1) [16].Un tipo speciale di diversità, infine, consistenella multiplazione spaziale con antennemultiple (MIMO-SM) che attua la trasmissio-ne di segnali differenti da ognuna delle an-tenne che compongono la schiera. In questocaso il ricevitore combina i segnali captatidalle varie antenne dopo averli pesati, e rico-struisce infine i segnali ricevuti, trattando glialtri segnali come interferenti.

4. TECNOLOGIEPER L’ACCESSO MULTIPLO

La flessibilità di impiego dell’OFDM si manife-sta anche nelle possibilità che apre in relazio-ne all’accesso multiplo al canale di trasmissio-ne. Tra le varie possibilità si hanno le seguenti:• OFDM -TDMA (Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing - Time Division MultipleAccess);• OFDMA (Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access).

4.1. Accesso multiplo a divisione di tempoNel sistema d’accesso OFDM-TDMA, tutte lesottoportanti sono attribuite ad un datoutente per un periodo di tempo solitamentemultiplo intero del periodo di simbolo OFDM.Pertanto un utente può avere disponibilitàdell’intera banda ciclicamente, ossia ognitempo di trama, TF (allocazione statica), op-pure può ricevere un numero variabile di sim-boli OFDM per trama in base al requisito di

banda (allocazione dinamica). Secondo que-sto protocollo di accesso, le operazioni, daun lato, di modulazione e multiplazione deiflussi generati dal terminale (che sono ogget-to dell’OFDM) e, dall’altro, quella di accessomultiplo, che avviene secondo la classica di-sciplina della divisione di tempo (TDMA), ri-sultano di fatto disgiunte. Il vantaggio princi-pale di questo metodo consiste nella riduzio-ne del consumo delle batterie del terminaleper effetto della intermittenza del funziona-mento. Per una maggiore flessibilità di ge-stione della risorsa radio si è introdotta la di-sciplina OFDMA che si esamina nel seguito.

4.2. Accesso multiplo consottocanalizzazioneNel caso dell’OFDMA le sottoportanti sonodistribuite tra gli utenti che, in linea di princi-pio possono trasmettere in qualsiasi istante.L’OFDMA può supportare un certo numero diflussi dati per utente di uguale ritmo binario,o anche differenti (per esempio assegnandoa ciascuno un numero differente di sottopor-tanti). Tenuto conto delle differenti condizio-ni dello specifico canale di trasmissione sipossono adottare diversi schemi di modula-zione sulla singola sottoportante tra cuiQPSK, 16-QAM, 64-QAM.Si può ricorrere a due diversi metodi di allo-cazione delle sottoportanti; si ha:• l’allocazione statica, se le sottoportanti so-no assegnate all’utente per tutta la duratadella connessione; il metodo è semplice ma,quando una o più sottoportanti è soggetta afading, la degradazione di prestazione che neconsegue può persistere anche per tempi re-lativamente lunghi;• l’allocazione dinamica, se si dispone di infor-mazione quasi istantanea delle condizioni delcanale (CSI) per ciascun utente; questo meto-do prende il nome di DSA (Dynamic SubcarrierAllocation) e si può attuare in svariati modi.Nella DSA l’informazione di CSI è usata intempo reale per assegnare le sottoportantipiù adatte ad ogni collegamento (tecnica disottocanalizzazione), in modalità contigua ointerallacciata (Figura 8). In quest’ultimo ca-so, ossia nella sottocanalizzazione interallac-ciata, che è il più efficace in termini di guada-gno di diversità, la sincronizzazione dell’inte-ro segnale OFDMA diviene più difficile. Un’ul-

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Banda di guardia

Sottocanale 1

Sottocanale 2

Sottocanale 3

Banda di guardia

FIGURA 8Sottocanalizzazione

OFDMA

teriore penalizzazione della DSA consistenella necessità di aggiuntivo carico di segna-lazione (overhead) ogniqualvolta si debbanoriassegnare le sottoportanti.Grazie alla sottocanalizzazione la potenzatrasmessa si concentra su un numero limita-to di portanti, incrementando la potenza di-sponibile per singola portante e aumentandocosì la portata radio, ovvero contrastando leperdite di penetrazione attraverso le paretidegli edifici. Il numero e la posizione delleportanti che realizzano il sottocanale di tra-smissione può cambiare su base burst o subase trama e ciò consente una gestione dina-mica della risorsa di radiotrasmissione sianel dominio del tempo che nella frequenza.Una variante è rappresentata dal cosiddettoSOFDMA (Scalable OFDMA); nel SOFDMA siassume che la spaziatura tra le sottoportantisia costante indipendentemente dal passo dicanalizzazione, così se cambia la larghezza dibanda del segnale da trasmettere ci si limitaa modificare il numero di sottoportanti ospi-tate all’interno della banda.Quando non sia possibile, oppure non sia con-veniente, rendere disponibile in emissionel’informazione di CSI, un’alternativa alla DSAconsiste nella tecnica di salto di sottoportanteo SCH (Sub-Carrier Hopping) che rappresental’applicazione all’OFDMA del salto di frequen-za. Pertanto, la tecnica SCH-OFDMA è un mo-do di combinare le caratteristiche dell’OFDMAcon quelle dello spread-spectrum. Quando l’u-tente salta casualmente sulle sottoportanti di-sponibili si ha il cosiddetto RSCH-OFDMA(Random Sub-Carrier Hopped OFDMA): unesempio di questa tecnica è rappresentato dalcosiddetto FLASH-OFDM proposto per lo stan-dard in itinere IEEE 802.20. Come di consuetoper le tecniche di salto di frequenza, anche inquesto si distingue tra FSCH-OFDMA (dove laprima lettera indica Fast) e SSCH-OFDMA(Slow), a seconda che il salto di frequenza pos-sa, o non possa, rispettivamente avvenire trasimboli contigui.

5. CONCLUSIONI

L’articolo ha esaminato alcune tra le più pro-mettenti tecnologie di interfaccia radio che sistanno affermando e che potrebbero caratte-rizzare le evoluzioni dei sistemi verso la Next

Generation Network delle reti fisse e la Quar-ta Generazione delle reti mobili.Nell’ambito di un quadro di progressiva con-vergenza delle reti e dei servizi si possonoprevedere notevoli sovrapposizioni tra glistandard e tra le funzionalità delle reti. Tutta-via, è anche evidente che qualsiasi tentativodi unificazione tecnologica sarà inevitabil-mente destinato all’insuccesso. Non resta cheprevedere un futuro complesso in termini dialternative in competizione nell’ambito di unastruttura “All IP” per il resto largamente agno-stica in relazione alle specifiche soluzioni tec-nologiche a livello sia di strato fisico che dicollegamento. Al contempo è prevedibile ilsuccesso di soluzioni a bassa complessità diinterfaccia con l’utente o, come spesso si di-ce, di tipo “Plug & Play”, con l’obiettivo ultimodell’interazione naturale e priva di mediazio-ne con l’utente finale.Per questo motivo possiamo aspettarci l’av-vento di soluzioni di integrazione verticaletra le alternative tecnologiche, sulla base distandard di interfaccia che ne agevolino l’im-plementazione. Questo modo di procederedovrebbe determinare l’avvento di tecnolo-gie cosiddette “a prova di futuro” che potran-no evolvere in un continuum tecnologico incui lo stesso concetto di “generazione” che siè affermato in passato finirà per perderecompletamente di significato.

Bibliografia

[1] Vatalaro F.: Il paradigma delle comunicazioniimmersive virtuali. Rivista AEIT, Ottobre 2006,p. 28-31.

[2] Ryhänen T., Huopaniemi J.: Fusing the digitaland the physical: future mobile experience.Nokia Technology Media Briefing, Oct. 3, 2006.

[3] Nakajima N.: Future Mobile CommunicationsSystems in Japan. Wireless Personal Comm.,Vol. 17, 2001, p. 209-224.

[4] Hull B., et al.: CarTel: A Distributed Mobile Sen-sor Computing System. MIT Computer Scienceand Artificial Intelligence Laboratory.

[5] Berners-Lee T., et al.: The Semantic Web. Scienti-fic American, May 2001 http://www.sciam.com/ar-ticle.cfm?articleID=00048144-10D2-1C70-84A9809EC588EF21

[6] Odlyzko A.: Content is not King. First Monday,Vol. 6, n. 2, February 2001, http://firstmon-day.org/issues/issue6_2/odlyzko/index.html

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1

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1

[7] Key4biz, Intervista a Vinton Cerf, 3.10.2005.http://www.key4biz.it/cgi-bin/key4biz/k4b.cgi?-id_testo=51552652587338149006179246&area_tematica=&a_z=v_t&p_d_

[8] Nakamoto H., Komeichi M.: IT Road Map toward2010. Nomura Research Institute, NRI papers, n.102 March 1, 2006, http://www.nri.co.jp/engli-sh/opinion/papers/2006/pdf/np2006102.pdf

[9] Cooper A.J.: Fibre/radio for the provision ofcordless/mobile telephony services in the ac-cess network. ELECTRON. LETT., Vol. 26, 1990,p. 2054-2056.

[10] Baran P.: Visions of the 21st Century Communi-cations: Is the Shortage of Radio Spectrum forBroadband Networks of the Future a Self MadeProblem?. 8-th Annual Conf. on Next GenerationNetworks, Washington, DC, Nov. 9, 1994.

[11] http://www.greaterdemocracy.org/framing_open-spectrum.html

[12] Spettro radio: una politica strategica per l’Unio-ne europea – seconda relazione annuale. Co-municazione della Commissione al Consiglio eal Parlamento europeo, 6.9.2005.

[13] Weiss T.A., Jondral F.K.: Spectrum Pooling: AnInnovative Strategy for the Enhancement ofSpectrum Efficiency. IEEE Radio Comm., March2004, p. S8 -S14.

[14] Yoshida M.: OFDM Transmission for ISI Chan-nels Using Variable-Length Pilot Symbols andpre-FFT Equalizer with Enhanced MRC DiversityReception. GLOBECOM 2003, p. 2290-2294.

[15] Ajib W., Haccoun D.: An Overview of SchedulingAlgorithms in MIMO-Based Fourth-GenerationWireless Systems. IEEE Network, Sept./Oct.2005, p.43-48.

[16] Alamouti S.M.: A Simple Transmit Diversity Techni-que for Wireless Communications. IEEE J. Sel. AreasCommun., Vol. 16, n. 8, Oct. 1998, p. 1451-1458.

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FRANCO MAZZENGA si è laureato in Ingegneria Elettronica presso l'Università di Roma Tor Vergata ed è attualmenteProfessore associato di Telecomunicazioni presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica della stessa Univer-sità. Ha lavorato presso la Fondazione Ugo Bordoni e il Consorzio di Ricerca in Telecomunicazioni (CoRiTeL). Èdirettore tecnico del Consorzio Università Industria - Laboratori di Radiocomunicazioni (RADIOLABS), Roma. Èautore di più di 70 pubblicazioni in atti di congressi e riviste internazionali. I suoi principali interessi scientifici ri-guardano i sistemi e le reti wireless, l'elaborazione numerica dei segnali e la teoria statistica dei segnali.E-mail: mazzenga@ing.uniroma2.it

CRISTIANO MONTI si è laureato in Ingegneria Elettronica presso l’Università di Roma Tor Vergata. Collabora conTelespazio nel settore relativo all'Innovazione Tecnologica. Ricercatore presso il consorzio Radiolabs, i suoi in-teressi di ricerca e le sue pubblicazioni si riferiscono ai sistemi di accesso radio, alla modellizzazione del ca-nale a radiofrequenza e alle tecniche di localizzazione.E-mail: cristiano.monti@uniroma2.it

FRANCESCO VATALARO Professore ordinario di Telecomunicazioni presso l’Università di Roma “Tor Vergata”, ha ol-tre 25 anni di esperienza nell’industria e nell’università. È Presidente del Consorzio Università Industria - La-boratori di Radiocomunicazioni (RADIOLABS), Roma. È chairman del IEEE Vehicular Technology/Communica-tions Society Italy Chapter e membro del Comitato direttivo della IEEE Italy Section. Membro di numerosi co-mitati scientifici e di redazione, è autore di oltre 150 pubblicazioni e i suoi principali interessi scientifici sononelle comunicazioni e reti wireless.E-mail: vatalaro@uniroma2.it