Approfondimenti

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Il Mobile Broadcast

La continua crescita del traffico video nella rete mobile, unita allo sviluppo delle prestazioni multimediali di smartphone e tablet e alla rapida diffusione delle reti LTE creano le opportunità per lo sviluppo di soluzioni LTE broadcast. La soluzione tecnica, basata su eMBMS, consente di offrire servizi video diffusivi ad altissima qualità anche in situazioni di altissima densità di clienti e con contenuti diversi a seconda delle aree di copertura.  

 

1 - Lo sviluppo dei servizi video in rete mobile

Negli ultimi anni la componente video del traffico mobile è cresciuta notevolmente e, secondo alcuni studi, ha già superato la soglia del 50% del traffico complessivo trasportato; altre previsioni proiettano questo valore al 70% entro tre anni. Al di là delle singole previsioni, è un fatto che l’utilizzo di informazioni in formato video è diventato capillare, e le capacità multimediali dei terminali permettono di fruire e generare contenuti video di alta qualità. Queste tendenze si stanno sviluppando da alcuni anni: recentemente, con l’introduzione della tecnologia LTE la rete mobile ha raggiunto le prestazioni necessarie per permettere la distribuzione di contenuti video di qualità in grandi volumi.
Il fenomeno della diffusione dei contenuti video è accelerato dalla crescente disponibilità di prodotti elettronici di consumo a basso costo sia per fruire sia per generare contenuti: in questo senso la natura della rete mobile costituisce un abilitatore di nuovi servizi sia in termini di produzione che di fruizione. L’utilizzo di microtelecamere e droni, abbinati alla rete LTE, ha per esempio permesso la realizzazione di riprese video spettacolari in occasione delle ultime tre edizioni della Turin Marathon.
L’ulteriore evoluzione della rete e la sue evoluzioni verso LTE Advanced amplificano ulteriormente le potenzialità della rete 4G: nel mese di novembre Telecom Italia ha introdotto in rete la prestazione di Carrier Aggregation rendendola disponibile in 60 città italiane. Il 4G+ offre attualmente connessioni fino a 180 Mbit/s e in futuro potrà raggiungere prestazioni ancora superiori, sia in upstream sia in downstream, grazie a miglioramenti tecnologici e disponibilità di bande di frequenza più ampie.
Le caratteristiche di una rete mobile impongono tuttavia alcune limitazioni: la banda disponibile all’interno della cella è condivisa e si satura rapidamente quando tanti clienti utilizzano contenuti a banda elevata. Tuttavia se i contenuti sono gli stessi, esistono soluzioni tecniche per evitare di trasmettere copie multiple realizzando una rete diffusiva: multicast, verso molti, e broadcast, verso tutti gli utilizzatori all’interno di una cella.
L’idea di introdurre il concetto di trasmissione multicast in luogo dell’unicast attualmente utilizzato nella rete mobile, quindi evitando di replicare contenuti identici per numerosi clienti nella stessa cella, non è nuova: a partire dalle esperienze conseguite nelle reti fisse, fin dalla seconda generazione delle reti mobili era stata definita una modalità di trasmissione multicast con il nome di MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services). Questa soluzione, realizzabile anche nelle reti 2G e 3G, non aveva finora trovato applicazione commerciale fondamentalmente per due ragioni: banda disponibile insufficiente e caratteristiche dei terminali non adeguate. L’avvento di LTE ha risolto il primo problema, mentre la diffusione di smartphone e tablet, dotati di schermi di elevate dimensioni e di alta qualità ha risolto il secondo problema.
Riassumendo, quindi la tecnologia eMBMS (enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services) estende l’utilizzo di MBMS alla rete LTE per consentire una comunicazione punto-multipunto in modo efficiente sia dal punto di vista delle risorse radio che da quello delle risorse di trasporto in core network. In questo modo molti terminali, abilitati con la funzionalità eMBMS, possono ricevere lo stesso contenuto nello stesso istante temporale con la stessa qualità.

 

2 - Possibili applicazioni di eMBMS - LTE Broadcast

Sebbene il paradigma Internet sia orientato alla massima interattività, che può essere solamente soddisfatta da una trasmissione unicast di contenuti scelti dall’utilizzatore, esistono numerosi contenuti che richiedono inevitabilmente una fruizione, e quindi una  trasmissione, contemporanea.
Gli esempi più noti e rappresentativi sono gli eventi sportivi: partite di calcio, gare di auto e moto, giochi olimpici richiedono la fruizione contemporanea, e in genere in diretta, di contenuti video, preferibilmente di alta qualità trattandosi di azioni molto rapide. Il concetto può tuttavia essere facilmente esteso anche ad eventi mediatici tra i quali concerti, fiere ed esposizioni.
La tecnologia eMBMS, spesso riferita con il termine maggiormente evocativo di LTE Broadcast, permette di creare trasmissioni diffusive di alcuni canali in aree ben determinate del territorio coperte da gruppi di celle adiacenti della rete radiomobile. In altre parole, la capillarità della rete mobile permette di creare gruppi di canali broadcast disponibili su aree territoriali limitate: in termini televisivi si tratta di un palinsesto variabile sul territorio in base alle esigenze specifiche in ogni area.
Si possono così pensare numerosi scenari applicativi per eMBMS: il primo esempio sono i luoghi densamente popolati come concerti, stadi, centri commerciali, aeroporti dove la forte concentrazione di persone potrebbe mettere in difficoltà l’utilizzo di servizi che richiedono una larga banda in downlink per la richiesta degli stessi contenuti.
In questo contesto la tecnologia eMBMS può giocare un ruolo chiave anche in termini di qualità percepita dal cliente in quanto lo stesso contenuto viene trasmesso con qualità su risorse dedicate. La durata dell’assegnazione di queste risorse è programmabile per il singolo evento, alla fine del quale le risorse sono restituite al normale impiego per le trasmissioni unicast LTE.
Accanto alla diffusione di contenuti contemporanei molto richiesti ad alta qualità, si possono pensare anche applicazioni più sofisticate con contenuti personalizzati in base all’area di fruizione. A titolo di esempio nelle manifestazioni sportive distribuite su ampi spazi (autodromi, gare ciclistiche, rally automobilistici) si può pensare a canali distribuiti localmente per assistere a punti di vista diversi. Analogamente si possono pensare canali con punti di vista diversi durante spettacoli, quali concerti e sfilate, oppure canali tematici video dedicati ad aree turistiche e museali e a centri commerciali.
Altre possibili aree di applicazione della tecnologia eMBMS includono la distribuzione di contenuti voluminosi non necessariamente di tipo video: aggiornamenti software massivi (anche nel settore automotive), tabelloni informativi e pubblicitari (per esempio a livello di area urbana: paline mezzi pubblici, totem informativi).
Il tipo di applicazioni dipenderà anche dalla diffusione della tecnologia eMBMS sul territorio in termini di copertura, funzionalità supportate e numerosità dei terminali.

 

3 - Come funziona eMBMS – LTE Broadcast

3.1 - Architettura generale

L’architettura eMBMS (Figura 1) è stata definita dal 3GPP come estensione dell’architettura LTE mediante upgrade SW ed aggiunta di nodi dedicati. Le trasmissioni eMBMS coesistono quindi con i servizi voce e dati su LTE.
Il BM-SC (Broadcast Multicast Service Center) è un nuovo elemento che ha il compito di trasmettere in modo affidabile i file o flussi video ricevuti dai content provider. Il BM-SC utilizza degli algoritmi specifici (AL-FEC) per rendere più robusta la ricezione da parte del terminale. È responsabile per l’autorizzazione dei terminali, lo scheduling e l’annuncio dei contenuti, l’integrità/confidenzialità dei dati eMBMS.
Il BM-SC ha diverse funzionalità: riceve pacchetti MBMS dai content provider esterni, fornisce applicazioni e server multimediali per l'operatore, si occupa della comunicazione e del processamento di servizi MBMS ed infine, consegna i contenuti MBMS al MBMS Gateway.
A partire dal MBMS Gateway (nella figura PGW) i dati sono inoltrati utilizzando il protocollo IP Multicast verso gli eNodeB. Il nodo MCE si occupa del controllo della sessione, controllo di accesso, gestisce l'allocazione dei subframes e la configurazione delle risorse radio in modo tale da assicurare che tutti i nodi eNodeB all'interno della stessa area utilizzino la medesima configurazione.
Il MBMS-GW riceve il flusso dati dal BM-SC e lo distribuisce a tutti i nodi eNB che sono coinvolti nella trasmissione in modalità IP multicast. L’MBMS-GW interagisce in segnalazione con MME per individuare questi eNodeB e per gestire le sessioni eMBMS.
Il MCE (Multicell Coordination Entity) può essere una funzionalità logica o fisicamente distinta. Fornisce la possibilità di configurare l’area del servizio eMBMS attivando il servizio sui corrispondenti eNB, programmando l’allocazione delle frequenze e del tempo per la trasmissione eMBMS da più celle: le tre aree illustrate in figura sono distinte nello spazio e rendono disponibili contenuti diversi.

 

Figura 1 - Architettura eMBMS

3.2 - Caratteristiche principali

L’eMBMS è un servizio di trasporto punto multipunto introdotto negli standard 3GPP dalla Release 9. La trasmissione è basata sul concetto di MBSFN (MBMS over Single Frequency Network): segnali identici sono trasmessi da più celle adeguatamente sincronizzate, in particolare richiedono la sincronizzazione di fase. Questa modalità di trasmissione, una rete a frequenza unica, trasforma le interferenze tra le celle in segnale utile migliorando la ricezione. La sincronizzazione permette infatti al ricevitore di gestire i segnali ricevuti da celle differenti, entro i limiti del cosiddetto prefisso ciclico: in pratica sono gestite distanze tra le celle di vari km, crescenti nelle varie versioni dello standard.
Se le celle che partecipano alla trasmissione eMBMS sono sincronizzate e le varie repliche del segnale arrivano all'UE all'interno dello stesso prefisso ciclico, non ci sarà interferenza intersimbolica e il segnale apparirà all'UE come una trasmissione proveniente da un'ampia singola cella. Avere un prefisso ciclico esteso ha però lo svantaggio di introdurre overhead addizionale che comporta una perdita, anche se limitata, del data rate di picco.
Aggregazioni di aree MBSFN creano aree di servizio MBMS: in ogni area di servizio si possono organizzare programmazioni diverse in termini di tempi e di contenuti (Figura 2).

 

Figura 2 - Gestione di MBSFN area

I segnali eMBMS sono trasportati sulla stessa portante utilizzata insieme ai segnali unicast: il rapporto tra la capacità multicast e unicast può essere configurata in modo variabile nel tempo in base a considerazioni di traffico e di robustezza del segnale. In futuro questa ripartizione potrà essere resa automatica, in base all’effettivo numero di utilizzatori di uno stesso contenuto nella cell (funzionalità di counting).
L’eMBMS introduce due nuove interfacce, dette M3 e M2, per il control plane ed una nuova interfaccia, detta M1, per lo user plane (Figura 3).

 

Figura 3 - Nodi e interfacce del sistema eMBMS

In ogni frame LTE (10 ms), da 1 a 6 subframe (ognuno di 1ms) possono essere dedicati alla trasmissione eMBMS. In ogni subframe, i primi 1 o 2 simboli OFDM sono  utilizzati per le informazioni di controllo unicast (Figura 4).
La funzionalità eMBMS può essere integrata in una rete LTE release 8, ossia nella attuale rete 4G, attraverso queste azioni:

  • nessun incremento di frequenze;
  • nessun cambiamento nel backhaul;
  • nessun cambiamento delle antenne nel sito;
  • introduzione supporto multicast a livello di trasporto;
  • aggiornamento SW dell’eNodeB per integrare la funzionalità MCE o integrazione di un nodo separato;
  • aggiornamento della core network con MBMS Gateway e BM-SC;
  • introduzione piattaforme di servizio specifiche (es. encoder);
  • introduzione della sincronizzazione di fase in rete (con GPS o altre soluzioni).

La ricezione del servizio eMBMS richiede terminali compatibili con apposito hardware e software (I terminali per eMBMS).
La funzionalità eMBMS permette di introdurre servizi broadcast su una rete LTE introducendo limitate modifiche nella rete, e può quindi offrire una soluzione efficace ed efficiente per introdurre nuovi servizi video ad alta qualità sulla rete LTE esistente.

 

Figura 4 - Trama Unicast e multicast all’interno di LTE

3.3 - Future evoluzioni

Le prestazioni del sistema eMBMS, definito in release 9, sono arricchite nelle successive release da ulteriori funzionalità.
In particolare la Release 10 3GPP prevede l’introduzione delle seguenti funzionalità:

  • conteggio dei terminali eMBMS interessati allo stesso flusso, in modo da abilitare/disabilitare opportunamente MBSFN;
  • supporto del protocollo DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP), ARP (Allocation and Retention Priority);
  • gestione delle priorità tra sessioni eMBMS.

Nelle successive Release 11 e 12, tuttora in corso di consolidamento, sono invece previsti:

  • service continuity: eMBMS su più bande, mobilità all’interno della stessa area MBSFN;
  • nuove funzionalità di servizio ed efficienza energetica (maggiore durata batterie terminale).

Per il sistema eMBMS sono anche in fase di studio possibili applicazioni complementari o integrate nella tecnologia DVB-T (ossia digitale terrestre).

 

4 - Attività in corso

A partire da gennaio di quest’anno Telecom Italia sta lavorando in laboratorio sulla tecnologia eMBMS, e ha completato un Proof of Concept dimostrativo lo scorso aprile.
Le verifiche in corso riguardano il comportamento e le prestazioni della componente di controllo, di trasporto, radio e a bordo del terminale.
Le sperimentazioni in corso in laboratorio e quanto prima in campo mirano a valutare l’efficacia e la flessibilità della tecnologia eMBMS al fine di individuare la modalità migliore per introdurlo in rete quando la disponibilità di terminali e la definizione di servizi commerciali lo renderanno necessario.

Conclusioni

Sebbene la crescita dei volumi del traffico video sembra poter giustificare da sola un’architettura come quella eMBMS il successo di questa tecnologia sarà dettato da quanto essa si dimostrerà capace di aumentare al tempo stesso la qualità percepita dall’utente e l’efficienza dell’utilizzo dello spettro radio.
La sua coesistenza su una stessa area di copertura con le trasmissioni unicast la porta a sottrarre risorse ai servizi voce e dati tradizionali risultando in un offloading vantaggioso nel momento in cui il numero di utenti che usufruiscono del servizio giustifica le risorse dedicate al servizio broadcast. Per questi motivi il suo primo utilizzo è previsto in zone limitate e densamente popolate da utenti che sono interessati allo stesso contenuto.
Il percorso di introduzione dell’eMBMS in campo richiede ora lo sviluppo di servizi, la definizione di contenuti e la disponibilità di terminali.

Bibliografia

P. Semenzato, "Easy LTE"
http://www.telecomitalia.com/tit/it/innovation/books/easy-lte.html

 

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