L’evoluzione dell’accesso radio LTE

Il sistema LTE è stato specificato dal 3GPP nel 2008. Da allora l’innovazione tecnologica non si è mai fermata ed il 3GPP ha definito tutta una serie di funzionalità che hanno permesso di raggiungere prestazioni sempre più elevate, come quelle dell’offerta 4GPLUS di TIM. Questo articolo descrive le innovazioni tecniche che il 3GPP sta sviluppando e che ritroveremo nei nostri smartphones e nella rete TIM a partire dal 2016/2017.

 

1 – Introduzione

Alcuni numeri per iniziare (Figura 1): 497 milioni di clienti nel mondo utilizzano LTE (dicembre 2014); 393 operatori hanno lanciato LTE in 138 nazioni (marzo 2015); 3000 modelli di terminale supportano LTE (aprile 2015); 64 operatori hanno lanciato LTE-Advanced in 39 nazioni (aprile 2015) - Fonte: http://www.gsacom.com.
In particolare, in Figura 1b è riportato il numero di reti commerciali suddiviso per banda di frequenza su cui operano. La rete TIM LTE opera sulle bande 800 MHz (banda 20 in terminologia 3GPP), 1800 MHz (banda 3) e 2,6 GHz (banda 7).
Questi numeri sono solo alcuni degli indicatori del successo di LTE, le cui specifiche tecniche sono state completate dal 3GPP nel 2008, ed il primo servizio commerciale è stato lanciato da TeliaSonera a fine 2009 a Stoccolma ed Oslo.

 

Figura 1 - a) Numero di reti commerciali LTE per anno, b) Numero di reti commerciali per banda di operazione. La sigla tra parentesi rappresenta il numero della banda secondo la terminologia 3GPP. Le bande in cui opera TIM in Italia sono evidenziate in blu - Fonte gsacom.com

Il lavoro in 3GPP non si è però mai fermato (Figura 2). LTE è stato specificato a partire della Release 8 (dicembre 2008), mentre LTE-Advanced è stato specificato dalla Release 10 (marzo 2011) ed ora grazie alla CA (Carrier Aggregation) definita in Release 11 i nostri smartphones sono in grado di fornire nella rete TIM fino a 225 Mbps, aggregando due portanti. Inoltre, appena i terminali saranno pronti, con lo spettro disponibile nella rete TIM si potrà raggiungere la velocità di 300 Mbps aggregando tre portanti. 

 

Figura 2 - 3GPP workplan

I driver che hanno portato al continuo sviluppo della tecnologia radio sono l’esplosione del traffico dati, applicazioni web e social network sempre più fruibili da smartphone e l’ingresso di nuovi attori (come le organizzazioni di pubblica sicurezza), interessati ad utilizzare LTE per i loro servizi. Il risultato è stata la definizione di una serie di funzionalità che in parte stiamo già vedendo nei nostri smartphones. Non tutte le innovazioni si riflettono direttamente in prestazioni vendibili al cliente, in quanto molte di queste sono ottimizzazioni della rete di accesso, che hanno l’obiettivo di migliorare la percezione della qualità del servizio offerto.
Nel seguito di questo articolo sono presentate le maggiori innovazioni tecniche sviluppate incluse nella Release 12 (dicembre 2014) e in fase di specifica nelle Release successive.

 

2 - L’evoluzione del Mobile Broadband

Dal punto di vista di un operatore mobile, le nuove tecnologie devono permettere il dispiegamento di reti efficienti in grado di gestire una capacità elevata ed in continua crescita, fornendo al cliente un insieme di servizi ad elevata qualità, quanto più possibile uniforme all’interno dell’area di copertura, garantendo l’accesso ad applicazioni sempre più esigenti in termini di banda e ridotta latenza, tenendo conto del suo profilo nonché del device utilizzato.
Per far fronte all’esplosione del traffico dati e alla sempre crescente domanda di velocità, ci sono tre possibili soluzioni:

  • incrementare l’efficienza spettrale;
  • incrementare lo spettro radio a disposizione;
  • incrementare il numero di stazioni radio base (network densification).
 

Figura 3 - Direttrici di evoluzione per far fronte all’aumento di traffico

La Figura 3 riporta le tre direttrici di evoluzione per raggiungere l’obiettivo di una capacità radio mille volte maggiore rispetto a quella attuale. È chiaro che per ottenere le prestazioni offerte dalle nuove funzionalità si rendono necessari nuovi investimenti in rete o l’adozione di nuovi device d’utente. Uno dei principi guida del 3GPP è però la possibilità per i terminali di vecchia generazione di poter funzionare nella nuova rete, anche se con prestazioni ridotte rispetto ai terminali di nuova generazione. In questo modo l’introduzione di una nuova funzionalità non comporta la cessazione del servizio per quei clienti ancora in possesso di vecchi terminali.

2.1 Funzionalità per incrementare l’efficienza spettrale

Le specifiche 3GPP prevedono numerose tecniche per aumentare l’efficienza spettrale, cioè il numero di bit che possono essere trasmessi nell’unità di tempo e di frequenza (bit/s/Hertz).

2.1.1 - Modulazione 256 QAM in downlink

LTE prevede fin dalla sua prima release di standardizzazione l’utilizzo di sistemi di modulazione ad elevata cardinalità, in particolare fino alla 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), in grado cioè di portare 6 bit di informazione per ogni simbolo trasmesso. Nell’ambito della Release 12, in presenza di dispiegamenti micro e pico cellulari, il 3GPP ha introdotto in specifica l’utilizzo (nella tratta downlink) della modulazione 256 QAM, in grado cioè di portare 8 bit di informazione per ogni simbolo trasmesso, contribuendo così all’incremento del throughput di picco. L’aumento della cardinalità dei sistemi di modulazione rende la trasmissione sempre più sensibile al rumore e all’interferenza di cui è soggetto il canale di comunicazione, rendendo questa funzionalità utilizzabile esclusivamente nelle zone in cui il segnale utile è elevato, come nelle vicinanze della stazione trasmittente (eNodeB), condizione quanto più soddisfatta quanto più il raggio di cella è limitato, ovvero quando si impiegano coperture microcellulari.

2.1.2 - Minimizzazione dell’interferenza

A partire dalla Release 10 sono state introdotte diverse funzionalità per la gestione dell’interferenza, quali ad esempio le tecniche CoMP (Coordinated Multi Point) e ICIC (Inter Cell Interference Coordinator). La gestione dell’interferenza permette di migliorare la qualità del segnale a bordo cella, al fine di uniformare quanto più possibile il throughput all’interno della zona di copertura.

 

Figura 4 - Gestione delle risorse trasmissive per minimizzare l’interferenza tra macro e micro celle (ICIC)

L’interferenza è un aspetto maggiormente critico in presenza di coperture “eterogenee”, ottenute cioè attraverso il dispiegamento di micro celle nell’area di copertura di una macro cella. Per questo la funzionalità ICIC (e sue evoluzioni) permette di allocare in modo “intelligente” (Figura 4) le risorse radio tra macro celle e micro celle che operano nella stessa area. In questo modo gli utenti delle micro celle non sono interferiti dal segnale trasmesso dalla macro (e viceversa) e quindi sperimentano una miglior qualità del servizio.

2.2 - Funzionalità per incrementare lo spettro radio

Il principale abilitatore al mobile ultra broadband resta comunque l’estensione della larghezza di banda utilizzata per la trasmissione radio, che permette approssimativamente di incrementare linearmente il throughput d’utente.
Lo spettro radio però è una risorsa molto preziosa e scarsa e, quindi, non è possibile aumentare indefinitamente la banda a disposizione dei servizi mobili, anche per motivi di complessità realizzativa. Per questo motivo il 3GPP ha individuato alcune tecniche per sfruttare porzioni disgiunte o porzioni contigue di spettro in modo tale che la larghezza complessiva possa superare il limite di 20 MHz, definito per un singolo canale LTE.

2.2.1 - Carrier Aggregation

La funzionalità di Carrier Aggregation, introdotta nell’ambito della standardizzazione di LTE-Advanced (Release 10 del 3GPP), permette di affasciare a livello trasmissivo fino a 5 differenti canali radio, ciascuno con larghezza massima di 20 MHz, al fine di ottenere un canale complessivo pari a 100 MHz, in grado di offrire un throughput teorico pari alla somma dei throughput offerti dai singoli canali, cioè fino a 5 volte superiori a quelli raggiungibili senza aggregazione. Ad esempio, considerando una configurazione LTE base di tipo MIMO 2x2, il throughput di picco raggiungibile (funzione della relativa categoria di terminale specificata) passa da circa 150 Mbps su 20 MHz a circa 750 Mbps su 100 MHz di banda aggregata complessiva. La Figura 5 schematizza il concetto della Carrier Aggregation e le possibili configurazioni di aggregazione (portanti contigue/non contigue e su stessa banda/in bande differenti).

 

Figura 5 - Aggregazione di due canali LTE

Tale funzionalità rende inoltre possibile una gestione flessibile della banda in scenari eterogenei macro/pico che utilizzino layer frequenziali diversi. Occorre comunque tener presente che la tecnica prevede un unico scheduler centralizzato, che scompone la trasmissione del flusso dati in un numero di flussi pari al numero di canali aggregati. Questo significa che le funzionalità di banda base, dove sono processati i dati trasmessi nelle diverse celle, debbano essere co-locate, oppure che la banda base sia centralizzata in un unico locale apparati e collegata in fibra ottica con le antenne di trasmissione. In caso di celle co-locate e di frequenze diverse (es. 800 MHz e 1800 MHz), che per le leggi della propagazione radio determinano estensioni di copertura differenti, la funzionalità di Carrier Aggregation potrà essere fruita solo nell’area coperta da entrambe le frequenze. Al di fuori di quest’area il terminale continuerà ad usufruire del servizio, ma in modalità single carrier. In Figura 6 sono rappresentati i possibili scenari di abilitazione della Carrier Aggregation:

  • banda base distribuita (Figura 6a): è lo scenario attualmente dispiegato con banda base co-locata in ogni sito. L’unico scenario abilitato, considerando ad es. i layers 800 MHz e 1800 MHz, è quello Intra-Sito con i due layer co-locati;
  • banda base centralizzata (Figura 6b): unico apparato di banda base (cioè in cui la banda base è gestita in pool) che controlla differenti siti non necessariamente co-locati, abilitando la funzionalità di Carrier Aggregation Inter-sito;
  • banda base distribuita con coordinatore (Figura 6c): la funzionalità come la Carrier Aggregation tra siti non co-locati (cioè di tipo Inter-sito) può anche essere realizzata mantenendo la banda base distribuita nei vari siti, mediante l’introduzione in centrale di un apparato di coordinamento. Ciò renderebbe non più necessario la centralizzazione con la concentrazione della banda base in centrale.
 

Figura 6 - Scenari di abilitazione della Carrier Aggregation

Ogni combinazione di bande deve essere specificata singolarmente, in modo da definire i requisiti sulle prestazioni radio richieste ai terminali, che possono variare a seconda del numero di canali da aggregare e della banda di frequenza su cui operano. Le combinazioni sono determinate tenendo conto delle allocazioni frequenziali che vengono stabilite dalle amministrazioni dei vari paesi. Il 3GPP nel corso delle varie Release ha specificato, tra le altre, tutte le combinazioni di interesse per l’Italia e per il Brasile.
Al momento le combinazioni specificate prevedono un numero massimo di canali pari a quattro in downlink e due in uplink, anche se in linea teorica già oggi è possibile aggregare fino a cinque canali.
La disponibilità di spettro crescerà in futuro, principalmente nelle bande di frequenza elevate e, in prospettiva, in bande non licenziate. In quest’ottica, tra le attività della Release 13 vi è l’estensione dell’attuale funzionalità di Carrier Aggregation fino ad un massimo di 32 canali da aggregare, ovvero 640 MHz, che in linea teorica permetterebbero, nella configurazione MIMO 2x2, una velocità di picco in downlink pari a 4,8 Gbit/s.
L’adozione della Carrier Aggregation potrà essere ulteriormente estesa per l’aggregazione tra LTE e le tecnologie su banda non licenziata, oggetto di standardizzazione proprio a partire dalla Release 13. L’introduzione di LTE su banda non licenziata LTE-U (LTE Unlicensed), da utilizzarsi congiuntamente con LTE in banda licenziata, e quindi definito in standard come LAA (Licensed Assisted Access), e l’aggregazione tra LTE e il WiFi permetteranno di disporre di differenti e potenzialmente estese porzioni di spettro oggi utilizzato da sistemi non cellulari.

2.2 - Dual Connectivity

Come precedentemente indicato, la funzionalità di Carrier Aggregation richiede che le celle siano co-locate (o almeno che la banda base sia centralizzata ed il collegamento con le antenne remotizzate sia in fibra ottica).
Nel corso della Release-12, il 3GPP ha sviluppato una soluzione che permette di spezzare il flusso di informazione su celle non co-locate, attraverso il meccanismo noto come Dual Connectivity. Tale funzionalità assume particolare rilievo nell’ambito dei dispiegamenti di reti eterogenee con mix di copertura macro e microcellulare.
La Figura 7 descrive lo schema di funzionamento della soluzione, basata sulla possibilità da parte di un terminale di utilizzare risorse radio fornite da due scheduler distinti implementati in due differenti nodi di rete tra di loro connessi sfruttando l’interfaccia X2, che collega le due stazioni radio base. Il terminale d’utente riceve il segnale LTE contemporaneamente da due stazioni radio base (eNodeB in terminologia 3GPP), indicate come Master (MeNB) e Secondary (SeNB). Il nodo Master gestisce tutta la segnalazione verso il terminale garantendo, ad esempio, le procedure di mobilità. Il nodo Secondary invece agisce come booster di capacità, permettendo un aumento di throughput. Ciascun nodo controlla le proprie risorse radio utilizzate per la trasmissione dati verso il terminale ed è pertanto responsabile della relativa allocazione all’interno delle rispettive celle. Questa soluzione è particolarmente utile in caso di micro celle dispiegate in aree dove in certe ore del giorno non ci sono clienti (ad esempio nel caso di copertura corporate). In questo scenario, la Master è una macro cella che copre l’area e garantisce la mobilità e la raggiungibilità del terminale. La Secondary è una small cell (micro o pico cella) che permette di smaltire i picchi di traffico. Dato che la segnalazione è garantita dalla macro cella, è possibile spegnere le micro celle quando non c’è traffico, ottenendo anche un risparmio energetico. Infatti, un terminale che entra nell’area si aggancia alla macro che, se necessario, provvede a riattivare la micro cella. È importante sottolineare come ogni nodo coinvolto nella funzionalità di Dual Connectivity debba essere comunque in grado di gestire dei terminali in modo indipendente, cioè per taluni terminali comportarsi come cella servente tradizionale e contemporaneamente come cella secondaria per altri utenti.

 

Figura 7 - Architettura di protocolli radio per la Dual Connectivity

Quanto specificato in Release 12 è limitato alla sola direzione downlink, mentre il terminale può trasmettere dati in uplink solo verso uno dei due nodi (Master o Secondary). In Release 13 si sta lavorando per permettere la trasmissione dei dati simultaneamente nelle due celle, e quindi l’incremento di throughput, anche in uplink.

2.2.3 - Definizione dei requisiti tecnici per operare LTE in nuove bande

A seguito di lunghe negoziazioni a livello nazionale ed internazionale, nuove bande sono messe a disposizione dei servizi mobili dalle amministrazioni nazionali. Alcuni esempi recenti sono la banda 20 (800 MHz), la banda 28 (700 MHz) e la banda 31 (450 MHz). Il 3GPP si occupa di specificare i requisiti tecnici per poter operare il sistema LTE in queste nuove bande (ad esempio il livello massimo di segnale che può essere ricevuto fuori dalla banda di operazione, in modo da non creare interferenza su altri sistemi).

2.2.4 - Utilizzo di LTE in bande non licenziate

Nell’ambito della Release 13, il 3GPP sta definendo la soluzione tecnica per poter operare con tecnologia LTE in bande non licenziate. In letteratura questa tecnica è nota come LTE-U, ma in 3GPP è stato adottato un nome diverso, che ne spiega la modalità di funzionamento: LAA (Licensed Assisted Access). Come descritto in Figura 8, questa tecnica prevede che un terminale possa operare in banda non licenziata solo se il canale radio è aggregato, mediante la funzionalità di Carrier Aggregation, con uno (detto canale primario) in banda licenziata. In questo modo la qualità del servizio e la segnalazione sono gestite sulla banda licenziata, mentre la banda non licenziata agisce da booster di capacità in modalità best effort (ovvero senza garantire la qualità del servizio).

 

Figura 8 - LTE-LAA – aggregazione di portanti in banda non licenziata con portanti in banda licenziata - Fonte: http://www.cablelabs.com/will-wi-fi-have-to-share-the-waves/

La banda presa in considerazione per questa soluzione è la gamma a 5 GHz, in quanto prevede la disponibilità di larghe porzioni di spettro a livello mondiale: 255 MHz contigui tra 5470 MHz e 5725 MHz sono utilizzabili in Europa, USA e Giappone (Figura 9).

 

Figura 9 - Allocazione della banda 5 GHz a livello mondiale

L’introduzione a standard di LTE in bande non licenziate non è però indolore, in quanto richiede delle modifiche significative alle specifiche del sistema. Il punto principale è che gli accessi radio possono operare in bande non licenziate sulla base di non interferenza e senza diritto di protezione. Ovvero l’accesso radio LTE deve essere modificato per poter coesistere con segnali LTE trasmessi da altri operatori e con segnali WiFi. Per garantire ciò si rende necessario specificare due tecniche al momento non previste dagli standard 3GPP:

  • LBT (Listen Before Talk): prima di iniziare la trasmissione dei dati occorre monitorare l’attività sul canale radio. Se questo risulta occupato da un altro trasmettitore non si può trasmettere. Nelle bande licenziate questo problema non si pone, in quanto tutte le risorse sono dedicate ad un solo operatore e lo scheduler della stazione radio base decide a chi assegnare le risorse di trasmissione;
  • introduzione di interruzioni nel flusso dati, anche in presenza di dati da trasmettere. Nelle bande licenziate, infatti, il trasmettitore occupa le risorse radio fino a quando ci sono dati da trasmettere (o fino a quando lo scheduler revoca la disponibilità di risorse). In bande non licenziate, invece, per poter garantire pari opportunità di accesso, è necessario interrompere il flusso dati in modo che un altro trasmettitore possa accedere alla risorsa radio. Se così non fosse quest’ultimo rischierebbe di trovare il canale sempre occupato, non potendo mai trasmettere i suoi dati.

La tecnica LAA rappresenta una soluzione che ben si integra con la rete d’accesso radio dell’operatore mobile, evitando la necessità di specifiche soluzioni di gestione, sicurezza e autenticazione. Inoltre, l’utilizzo di LAA è completamente trasparente alla core network LTE, evitando il dispiegamento di elementi aggiuntivi in rete. LAA richiederà anche nuove implementazioni lato terminale, in quanto per poter operare in questa modalità dovrà essere in grado di effettuare e riportare al nodo di accesso radio le misure inerenti la banda non licenziata (come avviene oggi per le bande LTE), fornendo inoltre i feedback della relativa trasmissione downlink.

2.3 - WiFi WiFi: offload e aggregazione con LTE e aggregazione con LTE

Tecnologie, quali il WiFi, nate per operare su banda non licenziata sono da tempo utilizzate dagli operatori mobili per fare offloading del traffico dalle proprie reti cellulari, al fine di poterne gestire in modo efficiente la capacità complessiva, differenziando i servizi offerti all’utente, ad esempio su base sottoscrizione, prestazioni, qualità, … Per questo motivo, in ambito di standardizzazione 3GPP sono state previste e sono attualmente allo studio funzionalità per gestire efficacemente l’interlavoro tra gli accessi radio 3GPP e quelli WiFi, schematicamente riassunte in Figura 10.

 

Figura 10 - WiFi offload

Nelle varie Release, il 3GPP ha specificato modalità di interlavoro sempre più complete, al fine di estendere alcuni meccanismi di controllo tipici dei sistemi cellulari agli accessi WiFi, facendoli di fatto diventare delle tecnologie di accesso radio complementari ai sistemi 3GPP.
Le prime attività hanno definito l’interlavoro con le reti WiFi a livello di core network (Figura 10a, Pre Rel-12), basandosi su funzionalità a livello di connettività IP per la mobilità della sessione dati e il roaming tra i sistemi, mantenendo attivi i servizi a pacchetto su rete 3GPP con minimo impatto sulla qualità percepita dall’utente.
La funzionalità, tipicamente controllata tramite opportuno client sul terminale, può interagire con un’entità di livello IP, introdotta dalla Release 8, nota come ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function), con il compito di fornire al terminale determinate policy di selezione e accesso delle reti WiFi, definite ad esempio su base dati di sottoscrizione d’utente, con relative regole di validità, durata, ecc.
Nell’ambito della Release 12, si è deciso di analizzare possibili miglioramenti andando ad agire a livello di accesso radio, con l’obiettivo di introdurre uno steering del traffico bidirezionale del terminale tra LTE e WiFi (Figura 10b, Rel-12). La soluzione introdotta prevede che il nodo di accesso (eNodeB) possa fornire al terminale parametri di controllo per guidare la selezione tra LTE e WiFi tenendo conto del carico della rete (ad esempio soglie di utilizzo del canale WiFi, potenza del segnale WiFi e/o LTE). Il terminale può quindi procedere alla selezione della tecnologia, nonché allo spostamento del traffico tra le due tecnologie, sulla base di condizioni definite in funzione dei valori assunti da tali parametri, evitando così una selezione arbitraria.
Nell’ambito della Release 13 (Figura 10c, Rel-13), infine, si sta operando per una vera e propria integrazione attraverso l’aggregazione tra WiFi e LTE.
Come per l’aggregazione tra flussi LTE descritta in precedenza, è in corso di definizione una suddivisione del flusso dati downlink tra accesso radio LTE e WiFi, aggregati lato terminale, sul principio della Dual Connectivity introdotta in Release 12, mentre per l’uplink si utilizza soltanto LTE. In questo caso la cella LTE agisce da nodo primario (Master) e quindi gestisce la segnalazione e la mobilità, mentre l’access point WiFi agisce da nodo secondario (Secondary). Per poter applicare il principio dell’architettura di Dual Connectivity, sarà necessario specificare un’interfaccia tra il nodo LTE e un opportuno punto di terminazione della tecnologia WiFi, sulla quale viaggerà la parte di pacchetti inoltrati al terminale attraverso il WiFi. Al fine di determinare e controllare la quantità dei dati verso il WiFi dovranno anche essere introdotti opportuni feedback e funzionalità per il controllo di flusso, così come dovranno essere estese le metriche delle misure e le relative procedure di reporting.

 

3 - Proximity Services: l’introduzione della comunicazione Device-to-Device

Fino ad oggi, le comunicazioni nei sistemi cellulari si sono sempre basate sull’assunto che un terminale per trasmettere informazioni ad un altro terminale, indipendentemente dalla distanza fisica tra di essi, debba trasmettere verso la rete e che poi questa ritrasmetta il segnale al terminale di destinazione. Questo sistema permette di gestire in modo efficiente sia comunicazioni a breve raggio che comunicazioni intercontinentali. Ci sono però delle applicazioni per cui una comunicazione diretta tra terminali, cioè senza dover passare dalla rete, comporta dei vantaggi o rappresenta un requisito necessario.
Per esempio, nel caso di servizi di PS (Pubblica Sicurezza) può essere necessaria la comunicazione tra agenti fuori copertura cellulare e colleghi nelle immediate vicinanze. Si pensi ad esempio ad un vigile del fuoco che entra in un edificio in fiamme alla ricerca di feriti. La necessità di poter sempre contattare i colleghi è un requisito indispensabile per poter utilizzare la tecnologia LTE in questi ambiti, anche nel caso in cui il pompiere si trovi in uno scantinato e quindi non raggiungibile dalla rete cellulare.
La modalità di trasmissione D2D (Device-to-Device), nota anche come “LTE Direct”, prevede il trasferimento diretto di dati da un terminale all’altro, così come già presente in altri sistemi commerciali, quali il WiFi Direct ed il TETRA. In questo caso, il 3GPP ha specificato i meccanismi necessari per permettere la comunicazione diretta tra un terminale e gli altri terminali appartenenti allo stesso gruppo di utenti (ad es. una squadra dei vigili del fuoco impegnata a domare un incendio). Non tutto il lavoro è stato completato in Release 12, ed in Release 13 si sta lavorando su alcune ottimizzazioni, come la possibilità per un terminale in copertura di fare da “ponte” (relay) tra un terminale fuori copertura e la rete. In questo modo, l’agente fuori copertura può scambiare informazioni con la centrale operativa e ricevere le indicazioni del caso.
La modalità di comunicazione diretta è limitata agli utenti classificati come operatori di pubblica sicurezza. Esiste però un’altra applicazione che è stata estesa anche alla clientela consumer: la modalità di “direct discovery”. I terminali interessati trasmettono periodicamente un messaggio pre-codificato che pubblicizza la loro presenza. In questo modo, altri terminali abilitati al servizio che si trovino nelle immediate vicinanze possono decodificarne il messaggio con il supporto della rete. Le applicazioni che possono essere offerte sono di tipo pubblicitario (ad esempio un ristorante può annunciare la sua presenza e le offerte del giorno), oppure di tipo social (i miei “buddies” possono scoprire se mi trovo nelle loro vicinanze). Tutte queste applicazioni sono indicate come servizi di prossimità, in quanto la trasmissione diretta tra terminali è ridotta a poche centinaia di metri, nelle condizioni tipiche di propagazione del segnale radio tra due terminali.

3.1 - Soluzioni radio per applicazioni M2M

Secondo le previsioni, nei prossimi anni si assisterà ad una rapida diffusione dei servizi M2M (Machine-to-Machine), in particolare per applicazioni negli ambiti di smart metering, trasporti, logistica, ecc. (Figura 11), con conseguente crescita in termini di traffico e di penetrazione di device. Se da un lato le applicazioni M2M high end (ad esempio video sorveglianza, eHealth) non richiedono particolari ottimizzazioni dal punto di vista radio, alcune applicazioni come lo smart metering richiedono invece soluzioni specifiche.

 

Figura 11 - Esempi di servizi di smart metering - Fonte: https://coyotegulch.wordpress.com/2015/04/21/cortez-plans-to-install-3000-smart-water-meters-this-summer/

Nel corso delle Release 10 e della Release 11, l’attenzione per LTE è stata principalmente rivolta verso soluzioni in grado di gestire il sovraccarico di rete, dovuto all’accesso simultaneo di un elevato numero di dispositivi M2M.
In Release 12 ci si è focalizzati sulla definizione di soluzioni per terminali “Low Complexity”, cioè dalle caratteristiche funzionali ridotte rispetto ai normali terminali, perché pensati principalmente per applicazioni a basse prestazioni, dove il fattore costo è predominate per poter essere competitivi con soluzioni 2G o proprietarie.
A questo scopo è stata introdotta una categoria dedicata, che prevede ad esempio una sola antenna in ricezione e una capacità di processing di banda base ridotta.
Un altro requisito importante è rappresentato dalla riduzione del consumo energetico, tale da permettere il funzionamento senza sostituzione della batteria per tutto il ciclo di vita del dispositivo (stimato in più di 10 anni). A questo scopo sono state introdotte in standard delle funzionalità per controllare l’accensione e lo spegnimento programmato del terminale, per quelle applicazioni che richiedono una trasmissione di informazioni molto sporadica.
La terza componente fondamentale per LTE M2M, che sarà sviluppata in Release 13, è l’estensione del raggio di copertura radio del sistema, per garantire il funzionamento anche in condizioni di alta attenuazione del segnale (ad esempio per permettere la lettura di contatori negli scantinati delle abitazioni). L’attività è ancora in fase di specifica e si stanno analizzando diverse tecniche per raggiungere questo obiettivo.

3.2 - Servizi Broadcast

Una delle funzionalità sviluppate dal 3GPP fin dalla Release 9 di LTE (e ulteriormente ottimizzate nelle Release successive) è il supporto dei servizi multicast e broadcast, realizzata attraverso la tecnologia eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Services). Essa permette il trasferimento dello stesso contenuto ad un numero elevato di terminali in modalità broadcast (ovvero a tutti i device presenti nell’area abilitati al servizio) o multicast (ovvero ad un gruppo chiuso, ad es. tramite sottoscrizione).
In particolare, al fine di trasmettere i flussi dati MBMS, LTE si basa sul concetto di comunicazione MBSFN (Multimedia Broadcast Single Frequency Network). I dati multicast o broadcast sono trasmessi da differenti celle su rete sincronizzata nota come SFN (Single-Frequency Network), in cui cioè differenti stazioni radio base trasmettono lo stesso segnale simultaneamente sulle stesse risorse radio, fornendo pertanto una migliore qualità della ricezione grazie alla riduzione del livello complessivo dell’interferenza. L’architettura generale del sistema eMBMS, le principali caratteristiche tecniche, così come i possibili campi di applicazioni sono descritti in [Notiziario Tecnico numero 48].
Poiché tale tecnica è stata progettata per fornire contenuti broadcast all’interno di un’area pre-pianificata (la MBSFN area), le trasmissioni eMBMS richiedono che una parte delle risorse radio siano allocate in modo semi-statico a questo servizio, ad esempio mediante configurazione via O&M (Operation and Maintenance) e quindi non modificabile dinamicamente sulla base della distribuzione degli utenti. Di conseguenza, se in una cella ci sono pochi clienti che richiedono il servizio si ha uno spreco di risorse a discapito di altri servizi che potrebbero essere offerti. D’altra parte, se non si attiva MBMS e molti clienti richiedono lo stesso contenuto video, la trasmissione tradizionale in modalità unicast (cioè punto-punto) comporterebbe uno spreco di risorse ed il rischio di non riuscir a fornire a tutti il servizio richiesto.
Queste motivazioni hanno portato alla necessità di studiare e specificare, all’interno della Release 13 del 3GPP, una tecnica più efficiente di comunicazione multicast indicata con SC-PTM (Single Cell-Point to Multipoint) transmission. L’obiettivo è quello di migliorare l’efficienza nell’utilizzo delle risorse radio e di poter gestire in modo dinamico la configurazione delle aree di multicast (Figura 12).

 

Figura 12 - Esempio di trasmissione SC-PTM

La tecnica SC-PTM ha lo scopo di fornire un tipo di trasmissione complementare a quella eMBMS (in aggiunta cioè alla trasmissione MBSFN) e, pur adottando l’architettura di rete definita per eMBMS, utilizza la tecnica di trasmissione dei canali unicast, introducendo però un particolare identificativo comune rappresentativo di un gruppo di utenti, in modo che tutti i partecipanti del gruppo possano accedere tramite tale identificativo alle risorse a loro trasmesse. Questo, inoltre, permette di sfruttare i feedback tipici delle trasmissioni unicast per adattare in modo dinamico il tipo di codifica e quindi la velocità di trasmissione a più utenti. Altro potenziale vantaggio della tecnica SC-PTM è quello di poter funzionare anche con rete che non prevede la trasmissione sincronizzata tra i vari nodi, in quanto lo scheduling delle risorse è eseguito a livello di cella e non a livello di area MBSFN.
Gli scenari principali di utilizzo della trasmissione SC-PTM riguardano l’ambito della pubblica sicurezza, dove la modalità di comunicazione principale si basa sulla trasmissione di informazioni verso un gruppo chiuso di persone (ad esempio agenti di polizia, membri della protezione civile). Tuttavia, la tecnica può trovare utilizzo anche in servizi commerciali, quali download di video o apps più popolari, mobile advertising, informazioni sul traffico automobilistico, in cui gli utenti localizzati in una certa area geografica (tipicamente limitata) abbiano gli stessi interessi in termini di servizi e/o contenuti.

 

4 - Verso il 5G

Il 3GPP ha definito un piano lavori preliminare per la definizione dei sistemi “5G”, che dovrebbero vedere il lancio dei primi servizi commerciali attorno al 2020 (Olimpiadi a Tokyo).
Questo però non significa che alcuni dei requisiti del 5G non possano essere già recepiti dalle evoluzioni di LTE. In particolare, nell’ambito della Release 13 sono in fase di studio alcune tecniche che precorrono le prestazioni offerte dal nuovo sistema, quali ad esempio l’uso di beamforming tridimensionale e tecniche per ridurre la latenza del segnale radio.

4.1 - Beamforming

Una tecnica utilizzata per aumentare la capacità del sistema radio consiste nel focalizzare la trasmissione nella direzione in cui si trova l’utente (Beamforming), ottenendo quindi, a parità di potenza, un qualità più alta o la copertura di utenti ad una distanza maggiore. L’effetto di focalizzazione si ottiene attraverso un sistema composto da più antenne, alimentate in maniera opportuna, che convoglia la radiazione in una direzione preferenziale. Il numero di antenne che compone il sistema radiante e la modalità con cui vengono alimentate permettono di sagomare il diagramma di radiazione sia nella direzione che nell’ampiezza desiderate. Come regola generale, maggiore è il numero di antenne costituenti il sistema radiante, maggiore è il numero di gradi di libertà ottenibili nella direzionalità del fascio e nella sua forma.
Nella Figura 13 è possibile vedere un esempio di come una tecnica di beamforming possa essere usata per trasmettere un segnale a diversi utenti focalizzandosi anche sul piano verticale (3D beamforming).
In Release 13 si sta analizzando anche la tecnica FD-MIMO (Full Dimensional-MIMO), che permette di sfruttare fino a 64 antenne, mentre quando si parla di 5G si immagina di usare quello che prende il nome di Massive MIMO, ovvero la trasmissione di un segnale da un centinaio di antenne.
La possibilità di disporre di sistemi di antenne direttive diventa un fattore sempre più importante via via che la frequenza di trasmissione aumenta, in modo da controbattere la conseguente riduzione del raggio di copertura. Alcune delle bande di frequenza di cui si sta discutendo in ambito internazionale circa l’utilizzabilità per i sistemi 5G hanno frequenze di decine di GHz (le bande indicate sono quelle a cavallo dei 28-32 GHz oppure 55-70 GHz o bande nell’intorno dei 90 GHz), con canalizzazioni che vanno da qualche centinato di MHz a qualche unità di GHz. A queste frequenze l’effetto dell’attenuazione dovuta alla distanza e alla presenza di ostacoli è molto più critico. Disporre di antenne direttive permette sia di compensare la distanza sia di focalizzare la trasmissione dove l’utente può essere effettivamente raggiunto, evitando di disperdere il segnale altrove.
D’altro canto, poiché la dimensione dell’antenna si riduce all’aumentare della frequenza del segnale, un sistema di 100 antenne (necessario per realizzare il cosiddetto Massive MIMO) a 2 GHz occuperebbe alcune decine di metri, mentre a frequenze intorno ai 60 GHz la sua dimensione sarebbe compatibile con un dispiegamento su rete cellulare.

 

Figura 13 - Effetto del Beamforming

4.2 - Riduzione della latenza

La latenza dei pacchetti radio è una delle metriche più utilizzate per verificare la qualità della rete. Esistono infatti diversi siti e applicazioni che permettono al cliente di misurare latenza e velocità di trasmissione della propria rete. Il requisito sulla latenza radio per LTE è pari a 10 ms, tuttavia latenze minori sono importanti per abilitare nuove applicazioni o migliorare la qualità percepita dal cliente. Per esempio alcuni studi hanno dimostrato che le automobili auto-guidanti richiedono una latenza dell’ordine di un millisecondo. Latenze maggiori potrebbero comportare instabilità del sistema e, quindi, incidenti stradali.
Senza però traguardare applicazioni futuristiche, la latenza influenza anche la percezione di throughput da parte del cliente. HTTP/TCP è il protocollo oggi dominante su Internet, con pacchetti dati dell’ordine di qualche decina di kbytes fino a circa un mega byte. In queste condizioni, una partenza “lenta” del protocollo può influenzare significativamente la qualità percepita, in quanto l’inizio della trasmissione vera e proprio è ritardato dalle procedure di segnalazione. Anche applicazioni real time, come la voce su LTE (VoLTE) avrebbero una qualità percepita migliore riducendo la latenza.
Di conseguenza, il 3GPP ha iniziato un’attività per studiare tecniche per ridurre la latenza, con obiettivo di dimezzarne il valore massimo. Le tecniche prese in considerazione comprendono soluzioni di livello fisico, come il dimezzamento del tempo minimo di trasmissione, e soluzioni per ottimizzare la segnalazione.

 

Conclusioni

La tecnologia radio è in continua evoluzione per permettere di soddisfare i requisiti sempre più stringenti in termini di capacità e di qualità del servizio. Questo è un processo continuo, in quanto nuovi servizi e nuove esigenze di mercato richiedono sempre maggiori prestazioni. Non da ultimo, le applicazioni “over the top” non tengono conto degli investimenti richiesti alla rete per il loro funzionamento e spesso non permettono alla rete di adattarsi in funzione della tipologia di servizio richiesto. Di conseguenza, la rete deve attrezzarsi al meglio per poter far fronte ad una molteplicità di servizi, spesso con requisiti estremi (in termini di numerosità di terminali, di velocità di trasmissione e/o di latenza).
Per rispondere alle esigenze del mercato, i gruppi radio del 3GPP vedono impegnati centinaia di esperti nella specifica delle funzionalità che ritroveremo nel giro di qualche anno nei nostri smartphones. Il prossimo passo è il completamento della Release 13, previsto per fine 2015. Tutti noi vedremo sui nostri smartphones le funzionalità specificate in questa release non prima di uno/due anni dopo il completamento dei lavori, ossia a partire dal 2017. L’evoluzione dell’accesso radio LTE continuerà in parallelo alla specifica dei sistemi 5G. In particolare, a settembre 2015 si terrà un workshop in cui le compagnie 3GPP presenteranno la loro visione sull’accesso radio a supporto del nuovo sistema. Ad inizio 2016 il TSG RAN definirà i requisiti prestazionali dell’accesso radio dopo di che il lavoro passerà ai gruppi tecnici RAN per lo studio di soluzioni tecniche in grado di soddisfare i requisiti. La finalizzazione delle specifiche 5G è prevista per la fine del 2019. Il 3GPP è quindi in procinto di iniziare una nuova avventura che porterà alla specifica dei sistemi 5G entro il 2020.

 

ACRONIMI

3G - terza generazione
4G - quarta generazione
5G - quinta generazione
ANDSF - Access Network Discovery and Selection Function
BSS - Base Station Sub-system
CA - Carrier Aggregation
CIoT - Cellular Internet of Things
C-NB CSS - Combined Narrow Band and Chirp Spread Spectrum
CoMP - Coordinated Multi Point
C-UNB - Cooperative Ultra Narrow Band
D2D - Device-to-Device
EC-GSM - Extended Coverage GSM
EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution
eICIC  - enhanced InterCell Interference Coordination
eMBMS - evolved Multimedia Broadcast Multicast Services
EMC  - Electromagnetic radiation compliance
eNodeB - eNB - enhanced NodeB
E-UTRAN - Evolved UTRAN
FD-MIMO - Full Dimensional MIMO
GERAN - GSM/EDGE Radio Access Network
GPRS - General Packet Radio Service
HTTP/TCP - HyperText Transfer Protocol/Transmission Control Protocol
ICIC - Inter Cell Interference Coordinatotion
IoT - Interoperability Testing
ISDN - Integrated Services Digital Network
LBT - Listen Before Talk
LTE - Long Term Evolution
LTE- LAA  - LTE-Licensed Assisted Access
LTE-U - LTE-Unlicensed
M2M - Machine-to-Machine
MBSFN - Multimedia Broadcast Single Frequency Network
MeNB - Master eNodeB
MIMO - Multiple-Input Multiple-Output
MME - Mobility Management Entity
MRO - Mobility Robustness Optimization
MSR BS - Multi-Standard Radio Base Station
NB-M2M - Narrow Band M2M
NB-OFDMA - Narrow Band-Orthogonal Frequency-Division Multiple Access
N-GSM - Narrow Band GSM
O&M - Operation and Maintenance
PS - Pubblica Sicurezza
QAM - Quadrature Amplitude Modulation
RAN  - Radio Access Network
RAT - Radio Access Technology
RF - Radio Frequency
RNC - Radio Network Controller
Rx/Tx - ricezione/trasmissione
SAR  - Specific Absorption Rate
SC-PTM - Single Cell-Point to Multipoint
SeNB - Secondary eNodeB
SFN - Single-Frequency Network
SGSN - Serving GPRS Support Node
SGW - Serving Gateway
SW - Software
TETRA - TErrestrial Trunked RAdio
TSG - Technical Specification Group
TTCN - Testing and Test Control Notation
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
USIM - Universal Subscriber Identity Module
UTRAN - Universal Terrestrial Radio Access Network
VoLTE - Voice over LTE X2 Application Protocol

 

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