I Indice 1. Introduzione al WiMAX........................................................................................................ 6 1.1. Le tecnologie 802.16 ................................................................................................ 6 1.2. Come lavorano le tecnologie 802.16 ........................................................................ 8 2. Progetto WEIRD ................................................................................................................. 18 2.1. Sintesi del Progetto ................................................................................................. 19 2.2. Obiettivi del Progetto.............................................................................................. 21 2.3. Rilevanza degli obiettivi IST primari ..................................................................... 25 2.4. Stato di avanzamento .............................................................................................. 28 2.5. Progressi rispetto allo stato attuale ......................................................................... 33 2.6. Piano d’implementazione strutturale e logica di WEIRD....................................... 35 2.7. Attività di ricerca, sviluppo tecnologico e d’innovazione connesse al progetto..... 36 2.8. Progettazione ed implementazione della piattaforma di sperimentazione dell’infrastruttura (WP3000) .................................................................................. 39 2.9. Adapter ................................................................................................................... 50 3. Il Sistema Alcatel 7387 ....................................................................................................... 58 3.1. A7387 Base Station Equipment .............................................................................. 60 3.2. A7387 Management System (NMS) ...................................................................... 65 4. Algoritmi per l’allocazione di banda: analisi preliminare e procedure Matlab ................... 71 4.1. Generazione di N Sorgenti binarie ......................................................................... 71 4.2. Algoritmi base per l’allocazione di banda ...... Errore. Il segnalibro non è definito. 4.3. Assegnazione della classe di servizio e dei limiti di allocazione di banda ............. 85 4.4. Algoritmi di allocazione di banda per diverse QoS ................................................ 89 5. Analisi dell’allocazione dinamica delle risorse in reti WMAN IEEE 802.16 ................... 107 5.1. Scenario .......................................................... Errore. Il segnalibro non è definito. 5.2. Approccio proposto .............................................................................................. 109 5.3. Risultati numerici.................................................................................................. 109 5.4. Conclusioni ........................................................................................................... 121 Appendice A – Il Protocollo SNMP.......................................................................................... 122 A.1 La struttura delle informazioni di gestione ........................................................... 125 A.2. Uno sguardo al MIB-II ......................................................................................... 128
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Prestigiacomo Tesi I livello - Dipartimento Infocom - Il ...infocom.uniroma1.it/~robby/Tesi/Prestigiacomo 2006-07.pdf · 3 Indice delle figure Figura 1 – Differenza tra LOS ed NLOS.
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I
Indice
1. Introduzione al WiMAX........................................................................................................ 6
1.1. Le tecnologie 802.16 ................................................................................................ 6
1.2. Come lavorano le tecnologie 802.16 ........................................................................ 8
2. Progetto WEIRD ................................................................................................................. 18
2.1. Sintesi del Progetto................................................................................................. 19
2.2. Obiettivi del Progetto.............................................................................................. 21
2.3. Rilevanza degli obiettivi IST primari ..................................................................... 25
2.4. Stato di avanzamento.............................................................................................. 28
2.5. Progressi rispetto allo stato attuale ......................................................................... 33
2.6. Piano d’implementazione strutturale e logica di WEIRD....................................... 35
2.7. Attività di ricerca, sviluppo tecnologico e d’innovazione connesse al progetto..... 36
2.8. Progettazione ed implementazione della piattaforma di sperimentazione dell’infrastruttura (WP3000) .................................................................................. 39
Tabella 8 - Nodi del MIB-II ............................................................................................. 130
6
1. Introduzione al WiMAX
Le tecnologie WiMAX sono tecnologie per l’accesso wireless a banda larga basate sullo
standard IEEE 802.16.
Esse possono essere utilizzate sia per il backhauling, ossia per estendere la connettività
broadband della rete dorsale alle zone limitrofe, sia per l’ultimo miglio, ovvero per
offrire servizi broadband agli utenti sia residenziali sia business locati nell’area
geografica coperta in modalità d’accesso fissa, nomadica, portatile e mobile.
Possono, inoltre, operare sia in bande licenziate sia in bande non licenziate: il
deployment nelle bande licenziate è indicato per coprire aree dense e competitive, ove
l’interferenza rappresenta il maggior problema da risolvere; il deployment nelle bande
non licenziate, invece, è indicato per coprire aree ristrette per limitare l’interferenza e
l’investimento iniziale.
Un vantaggio rilevante delle tecnologie WiMAX è la maggiore flessibilità nel
deployment dell’infrastruttura di rete, grazie alla possibilità di definire l’ampiezza del
canale, la tipologie del duplexing, le tecniche di trasmissione.
1.1. Le tecnologie 802.16
Le tecnologie 802.16 si basano sullo standard IEEE 802.16.
La prima versione dello standard IEEE 802.16, ratificata nel 2001 e concepita per
applicazioni FBWA (Fixed Broadband Wireless Access), supporta trasmissioni in
scenari LOS (Line Of Sight) nel range delle bande licenziate da 10 a 66 GHz e non
consente né la portabilità né la mobilità.
La successiva versione IEEE 802.16–2004 opera nella banda 2-11 GHz anche in scenari
NLOS (Non-Line Of Sight) e con accesso nomade, consentendo l’utilizzo di SU indoor;
supporta, inoltre, come opzione la sottocanalizzazione in uplink.
7
Figura 1 – Differenza tra LOS ed NLOS.
Infine la versione IEEE 802.16e, approvata il 7 Dicembre 2005, include le precedenti
versioni dello standard e aggiunge alcune funzionalità, quali l’handoff e il power saving,
per supportare l’accesso portatile e mobile, il MIMO, l’AAS e gli STC, per migliorare
le prestazioni del sistema. Per poter meglio supportare la mobilità, inoltre, è implementa
una nuova tecnica di trasmissione, la SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiple Access), che, però, non è compatibile né con la modulazione OFDM
né con la modulazione OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
La
Tabella 1 riassume le principali caratteristiche tecniche delle tecnologie 802.16, basate
sia sulla versione 802.16-2004 sia sulla versione 802.16e. Per ogni tecnologia, è
indicato il range frequenziale e lo scenario operativo, la velocità di trasmissione in
corrispondenza di una determinata canalizzazione, la tecnica di trasmissione supportata,
il protocollo d’accesso multiplo, il formato del duplexing, le possibili ampiezze di
banda del canale e l’efficienza spettrale del sistema. Una descrizione dettagliata di tali
parametri è fornita nel seguito.
Come si evince dalla
Tabella 1, le tecnologie 802.16 consentono una maggiore flessibilità di deployment, in
quanto possono operare in diverse bande frequenziali e con una diversa canalizzazione
secondo la disponibilità dello spettro, supportano differenti tecniche di trasmissione in
8
funzione del tipo d’accesso e dello scenario, possono lavorare sia in TDD sia in FDD
(Frequency Division Duplexing) in relazione al range frequenziale in cui operano e al
tipo di servizio da offrire.
802.16-2004 802.16e
Approvato Giugno 2004 Dicembre 2005
Banda 2 – 11 GHz 2 – 11 GHz per l’accesso fisso
2 – 6 GHz per l’accesso mobile
Scenario operativo LOS/NLOS LOS/NLOS
Velocità di trasmissione 75 Mbps in 20 MHz 75 Mbps in 20 MHz per l’accesso fisso
15 Mbps in 5MHz per l’accesso mobile
Tecnica di trasmissione OFDM (256 sottoportanti),
OFDMA (2048 sottoportanti) OFDM, OFDMA, SOFDMA
Accesso multiplo TDMA, OFDMA TDMA, SOFDMA
Formato del duplexing TDD/FDD TDD/FDD
Ampiezza di banda del canale Variabile tra 1.25 MHz e 20 MHz Variabile tra 1.25 MHz e 20 MHz
Efficienza spettrale 3.75 bps/Hz in 20 MHz 3.75 bps/Hz in 20 MHz per l’accesso fisso
3 bps/Hz in 5MHz per l’accesso mobile
Compatibilità con 802.16-2004 No, se si usa la modulazione SOFDMA
Tabella 1 – Principali caratteristiche delle tecnologie 802.16
1.2. Come lavorano le tecnologie 802.16
1.2.1. Bande di frequenza
Come indicato nella
Tabella 1 e nella Figura 2, le tecnologie 802.16, basate sulla versione 802.16-2004,
operano nel range frequenziale tra 2GHz e 11GHz; le tecnologie 802.16, basate sulla
versione 802.16e, invece, operano nel range frequenziale compreso tra i 2GHz e gli
11GHz nel caso di accesso fisso e nel range frequenziale tra 2GHz e 6GHz nel caso di
accesso mobile.
9
Figura 2 – Range frequenziale per applicazioni 802.16
1.2.2. Tecnica di Trasmissione e Protocollo di Accesso
La tecnologia 802.16-2004 supporta due diverse tecniche di modulazione/accesso
multiplo:
OFDM con TDMA (Time Division Multiple Access)
La modulazione OFDM è una trasmissione multiportante: il segnale è suddiviso in più
sottocanali a banda stretta trasmessi simultaneamente su diverse sottoportanti, il cui
numero definisce la dimensione del simbolo OFDM, ossia della FFT (Fast Fourier
Transform). Come mostrato in Figura 3, tali sottocanali sono parzialmente sovrapposti
ma ortogonali in modo da ridurre l’interferenza tra canali adiacenti e massimizzare
l’efficienza spettrale. La modulazione OFDM introduce principalmente due vantaggi. In
primo luogo, poiché i sottocanali sono a banda stretta, essa consente di operare anche in
ambienti Near NLOS, ove il percorso diretto tra trasmettitore e ricevitore è parzialmente
occupato dalla presenza di ostacoli come alberi, edifici, montagne, colline e altre
strutture o oggetti naturali o artificiali, riducendo così il problema del multipath. In
secondo luogo, essa offre un maggior controllo delle richieste di potenza dell’utente e
una maggiore flessibilità per l’accesso degli utenti.
Nella tecnologia 802.16-2004, il simbolo OFDM è costituito da 256 sottoportanti di cui
8 sono pilota, 192 dati, e 56 virtuali.
10
Figura 3 – Rappresentazione temporale-frequenziale dell’OFDM
Nel TDMA l’accesso al canale radio è tipicamente diviso in time slot assegnati a utenti
diversi: ciascun utente trasmette esclusivamente durante il time slot che gli è stato
assegnato, con la modulazione OFDM, e utilizza l’intera banda del canale. Affinchè
vengano limitati i problemi di interferenza tra utenti che trasmettono in time slot
consecutivi, è necessario avere una sincronizzazione perfetta e considerare un intervallo
di guardia durante il quale nessuno può trasmettere, come mostrato in Figura 4.
Figura 4 – Schema del TDMA
L’approccio OFDM/TDMA ha il vantaggio di ridurre la complessità ed i costi dei
dispositivi, ma ha lo svantaggio di non supportare un numero elevato di utenti, per poter
contenere i ritardi tra due trasmissioni consecutive relative allo stesso utente.
OFDMA con TDMA
L’OFDMA ha lo stesso principio di funzionamento della FDMA (Frequency Division
Multiple Access), in quanto le sottoportanti sono assegnate ad utenti differenti in
funzione delle condizioni del canale e della domanda di capacità, come mostrato nella
Figura 5; ma a differenza della FDMA, essa consente di limitare l’interferenza tra gli
11
utenti grazie all’ortogonalità tra le sottoportanti. Le sottoportanti, escluse le virtuali,
sono divise in sottogruppi, il cui numero varia a seconda il caso si consideri il downlink
o l’uplink, e in ciascun sottogruppo le sottoportanti appartengono a sottocanali
differenti. Poiché ciascun sottocanale ha una sola sottoportante per ogni sottogruppo, il
numero totale di sottoportanti di un sottocanale è proprio pari al numero di sottogruppi.
Per ottenere una diversità frequenziale e, quindi, una maggiore immunità al multipath,
l’allocazione delle sottoportanti relative a ciascun sottocanale avviene mediante un
processo pseudo-casuale. Nella tecnologia 802.16-2004 il numero totale di sottoportanti
è 2048, il numero di sottocanali è 32 e il numero di sottogruppi è 48 in down link e 53
in up link.
Figura 5 – Schema della OFDMA
Nel TDMA l’accesso multiplo è esteso anche alla dimensione temporale, in quanto
l’utente può trasmettere esclusivamente nel time slot che gli è stato assegnato e può
usare solo le sottoportanti assegnate.
L’approccio OFDMA/TDMA consente di supportare un maggior numero di utenti con
ritardo minore rispetto all’approccio OFDM/TDMA. Grazie alla sottocanalizzazione
introdotta dalla modulazione OFDMA, inoltre, si ha una gestione più efficiente delle
risorse, in funzione delle esigenze degli utenti e delle condizioni del canale. In particolar
modo, in up link la sottocanalizzazione consente sia di ridurre la massima potenza
trasmessa da ciascun utente, poichè può trasmettere solo nel sottocanale assegnato, sia
di allocare la potenza all’utente a seconda le codizioni del canale, ossia un livello
12
elevato di potenza è allocato agli utenti più svantaggiati (posti ad una distanza maggiore
dalla BS oppure dotati di SU indoor).
Il principale neo dell’approccio OFDMA/TDMA sono i costi elevati dei dispositivi
dovuti ad una maggiore complessità realizzativa.
La tecnologia 802.16e, in aggiunta alle tecniche di trasmissione/accesso multiplo
previste per la tecnologia 802.16-2004, introduce la Scalable OFDMA (SOFDMA), che
consente di supportare meglio l’accesso mobile, con ottime prestazioni in diversi
scenari operativi. La modulazione SOFDMA è una variante della modulazione
OFDMA: essa, infatti, implemeta tutte le funzionalità della modulazione OFDMA e
aggiunge la scalabilità, in quanto il numero delle sottoportanti non è costante, come nel
caso della OFDMA, ma varia a seconda dell’ampiezza di banda del canale considerato,
in modo tale da mantenere costante la spaziatura tra le sottoportanti stesse, come
illustrato nella Figura 6. Questo da un lato consente di migliorare l’efficienza spettrale
nei canali con un’elevata ampiezza di banda, poiché si ha un numero di sottoportanti
maggiore; dall’altro lato permette di ridurre i costi dei dispositivi nel caso di
deployment in canali con una piccola ampiezza di banda, in quanto il numero di
sottoportanti è minore. E’ bene osservare che le modulazioni OFDMA e SOFDMA non
sono compatibili e, quindi, due terminali, uno basato sulla modulazione OFDMA e
l’altro sulla SOFDMA, non possono comunicare tra loro.
Figura 6 – Schema della SOFDMA
La Tabella 2 e la
13
Tabella 3 indicano le velocità di trasmissione supportate dalla OFDM, con 256
sottoportanti, e dalla OFDMA, con 2048 sottoportanti, al variare dell’ampiezza di banda
del canale, della modulazione e del rate del codice. In entrambi i casi, si è considerato
un rapporto di guardia, definito come il rapporto tra l’intervallo di guardia e l’intervallo
utile, pari a 1/32.
Velocità di trasmissione [Mbps] Ampiezza di
banda del
canale [MHz]
QPSK
LOW
(1/2)
QPSK
HIGH
(3/4)
16 QAM
LOW
(1/2)
16 QAM
HIGH
(3/4)
64 QAM
LOW
(2/3)
64 QAM
HIGH
(3/4)
3.5 2.08 4.37 5.82 8.73 11.88 13.09
7.0 4.15 8.73 11.64 17.45 23.75 26.18
10.0 8.31 12.47 16.63 24.94 33.25 37.40
Tabella 2 – Velocità di trasmissione supportate dalla OFDM con 256 sottoportanti
Velocità di trasmissione [Mbps] Ampiezza di
banda del
canale [MHz]
QPSK
LOW
(1/2)
QPSK
HIGH
(3/4)
16 QAM
LOW
(1/2)
16 QAM
HIGH
(3/4)
64 QAM
LOW
(2/3)
64 QAM
HIGH
(3/4)
3.5 2.91 4.36 5.82 8.73 11.64 13.09
7.0 5.92 8.73 11.64 17.45 23.27 26.19
10.0 8.38 12.57 16.76 25.13 33.51 37.70
Tabella 3 – Velocità di trasmissione supportate dalla OFDMA con 2048 sottoportanti
Come si evince dalla Tabella 2 e dalla
Tabella 3, la velocità di trasmissione aumenta all’aumentare dell’ampiezza del canale o
del livello della modulazione, ovvero fissata la canalizzazione, a modulazioni di ordine
maggiore corrispondono data rate più elevati; mentre fissata la modulazione, ad
ampiezze di banda maggiori corrispondono data rate più elevati.
Si prenda in esame il caso della tecnica di trasmissione OFDM (Tabella 2): considerata
un’ampiezza di banda di 7MHz, alla modulazione High 64QAM corrisponde una
velocià di trasmissione di 26.18Mbps, mentre alla Low QPSK corrisponde una velocità
di trasmissione di 4.15Mbps. Se, invece, si considera la modulazione Low QPSK, alla
canalizzazione di 3.5MHz corrisponde un data rate di 2.08 Mbps mentre alla
canalizzazione di 7MHz corrisponde un data rate di 4.15Mbps.
14
Tutte le tecnologie 802.16 utilizzano l’AMC (Adaptive Modulation and Coding).
Questa funzionalità permette di migliorare le prestazioni, ottimizzando sia il throughput
sia il range di copertura. L’AMC, infatti, prevede una scelta dinamica della
modulazione e del rate del codice per ogni utente, a seconda delle condizioni del link
radio. Quando il livello del segnale ricevuto è basso, come nel caso di utenti molto
distanti dalla BS, il sistema sceglie automaticamente una modulazione più robusta ma
meno efficiente in termini di capacità (ad esempio la QPSK Low), in modo da
mantenere la probabilità di errore pari al target fissato. Quando invece il livello del
segnale ricevuto è elevato, sono scelte modulazioni di ordine maggiore (come la
64QAM High) senza aumentare la probabilità di errore.
La Figura 7 descrive il concetto di AMC in presenza di shadowing. Lo shadowing tiene
conto della distribuzione casuale degli ostacoli tra il trasmettitore e il ricevitore e,
dunque, due punti posti ad una stessa distanza dal trasmettitore sperimentano un
differente canale di propagazione. Di qui, la forma irregolare delle zone di copertura
relative alle diverse modulazioni. È bene osservare che se, invece, non si tiene conto
dello shadowing, le zone di copertura relative alle diverse modulazioni altro non sono
che dei cerchi concentrici.
Figura 7 – AMC in presenza di shadowing
1.2.3. Formato di Duplexing
15
Le tecnologie 802.16 supportano sia il TDD sia il FDD, consentendo una maggiore
flessibilità nel deployment di rete.
Nel TDD la tratta in down link (riferita alla comunicazione tra BS e SU) e quella in up
link (riferita
alla comunicazione tra SU e BS) operano nella stessa banda frequenziale in differenti
tempi di connessione, alternando la trasmissione del frame di downlink e di uplink,
come è illustrato in Figura 8.
Poiché tale alternanza è molto rapida, si ha la percezione che il canale sia attivo sia in
up link che in down link allo stesso istante. Per quanto detto in precedenza, il TDD è
indicato per i servizi che hanno un volume di traffico di tipo asimmetrico nelle due
diverse tratte, come ad esempio l’accesso ad internet.
Figura 8 – Schema del TDD
Nel FDD i segnali in downlink e in uplink sono trasmessi simultaneamente su due
canali frequenziali differenti, come mostrato in Figura 9, e questo determina un uso
inefficiente delle risorse, qualora il traffico sia asimmetrico, poiché gli spettri down link
e up link sono inutilizzati per molto tempo.
16
Figura 9 – Schema del FDD
È doveroso, a questo punto, evidenziare le differenze tra il TDD e il FDD. Mentre il
TDD è più indicato nel caso di traffico asimmetrico (accesso ad internet), negli scenari
ove non è disponibile una coppia di canali oppure nel deployment in bande non
licenziate; il FDD, invece, è più opportuno nel caso di traffico simmetrico (VoIP) o nel
caso di deployment in bande licenziate che richiedono esplicitamente un suo utilizzo.
Ne consegue, dunque, che il FDD è una soluzione più costosa rispetto al TDD, sia per i
dispositivi più complessi sia per i costi di licenza.
1.2.4. Handoff e Roaming
Al fine di garantire la continuità delle applicazioni negli scenari mobili, la versione
802.16e implementa l’handoff. Con il termine “handoff” si designa il processo di
commutazione da una BS ad un’altra di una chiamata in corso o di una sessione dati,
quando l’utente è in movimento.
Questo meccanismo può essere sia soft sia hard. Nel primo caso la connessione alla
“vecchia” BS è interrotta soltanto dopo aver stabilito la connessione con la “nuova” BS
(make-before-break); nel secondo caso, invece, la connessione alla “vecchia” BS è
interrotta prima di avere stabilito la connessione con la “nuova” BS (break-before-
17
make). Poichè l’handoff soft riduce la latenza, esso è più indicato per servizi real time,
come il VoIP, mentre l’handoff hard è più idoneo per servizi non real time, quali i
servizi dati.
Una ulteriore funzionalità che le tecnologie 802.16 possono supportare è il roaming, che
consente ad un utente di connettersi alla rete di un operatore diverso da quello con cui
ha sottoscritto l’abbonamento, come avviene nelle reti cellulari.
1.2.5. Funzionalità opzionali
Le tecnologie 802.16, sia 802.16-2004 che 802.16e, supportano alcune funzionalità
opzionali, quali gli STC e l’AAS:
• Space Time Code (STC): l’informazione è codificata da più antenne in
trasmissione sia nella dimensione spaziale sia nella dimensione temporale in modo
da ottenere un guadagno di diversità e di codifica rispetto ad un sistema che utilizza
una sola antenna.
• Adaptive Antenna System (AAS): grazie alla combinazione di un array di antenne
e la capacità di processare segnali digitali, l’AAS può automaticamente cambiare la
direzione del fascio di radiazione a seconda delle condizioni in modo da
minimizzare dinamicamente l’interferenza, massimizzare la ricezione del segnale
voluto e migliorare la gestione della potenza del sistema e dell’allocazione
spettrale.
18
Figura 10 – Adaptive Antenna System.
La tecnologia 802.16e, inoltre, supporta anche il MIMO. Nei sistemi MIMO sia il
trasmettitore che il ricevitore sono equipaggiati con più antenne per migliorare la QoS
ed aumentare il throughput.
È bene osservare che le funzionalità descritte da un lato permettono di aumentare le
prestazioni di un sistema in termini di qualità del servizio e di throughput, ma dall’altro
lato determinano una maggiore complessità del sistema e, quindi, costi più elevati.
2. Progetto WEIRD
Titolo completo : WiMAX Extension to Isolated Research Data networks
Acronimo : WEIRD
Obiettivo strategico : IST- 5 - 2.5.6 Research Networking Testbed
19
2.1. Sintesi del Progetto
WEIRD è un progetto integrato della durata di 24 mesi volto all’implementazione di
piattaforme di sperimentazione utilizzando la tecnologia WiMAX con l’obiettivo di
permettere ad aree isolate e/o impervie di potersi connettere al network di ricerca
GEANT2.
Il consorzio del progetto è costituito da aziende leader nel settore delle
telecomunicazioni, comunità scientifiche - che testano il sistema -, e reti europee
nazionali di ricerca - che forniscono la connettività e supportano i risultati del progetto.
WEIRD punta a ricoprire un ruolo di primo piano nella standardizzazione
dell’integrazione del WiMAX nelle reti di nuova generazione. Questo risultato sarà
ottenuto attraverso la costruzione di 4 piattaforme europee di sperimentazione collegate
attraverso GEANT2. Il piano di attuazione prevede un’analisi dei requisiti operata
principalmente dalle comunità scientifiche, il mondo accademico e gli operatori di rete.
La domanda scenari richiesto dalla comunità di utenti e che sarà tra i principali driver
del sistema sono classificati in 3 gruppi:
20
• attività di monitoraggio sismico e vulcanico;
Figura 11 – Scenario di monitoraggio sismico e vulcanico.
• prevenzione degli incendi;
Figura 12 – Scenario di video sorveglianza mobile.
• tele-medicina.
21
Figura 13 – Scenario di tele-medicina (diagnosi remota).
WEIRD simulerà gli scenari di applicazione sulle piattaforme di sperimentazione
implementate, definendo prototipi e convalidando i progressi nel controllo e gestione di
rete, e le versioni perfezionate del WiMAX. Le caratteristiche che il sistema WEIRD
convaliderà nel corso del progetto comprendono:
- QoS: gestione delle risorse e di accesso;
- autenticazione, autorizzazione e accounting (AAA), e sicurezza;
- consapevolezza ambientale;
- sostegno alla piena mobilità.
Pertanto, lo stato di avanzamento della prossima generazione di reti sarà perfezionato e
gli strati specifici del WiMAX saranno analizzati a fondo e migliorati.
Il consorzio attende i risultati del progetto per avere un forte impatto sulle attività
internazionali in corso, per questo motivo è prevista un efficace piano di diffusione e
valorizzazione sia per le imprese interne che per il mondo esterno.
2.2. Obiettivi del Progetto
2.2.1. Portata del Progetto
Negli ultimi anni le Wireless Metropolitan Area Networks hanno registrato una forte
diffusione, a causa della necessità di raggiungere un numero sempre maggiore di
comunità di utenti - eventualmente isolate -, e di superare le barriere di costo delle
tecnologie cablate. Questa tendenza ha spianato la strada principalmente all'uso di
soluzioni proprietarie, alcune delle quali basate su sistemi WiFi aggiornati e potenziati,
altre incentrate su connessioni wireless punto-punto basate su tecnologie RF. Questa
progressione sub-ottimale ha stimolato gli organismi di normalizzazione pertinenti a
lavorare all'introduzione di nuovi standard aperti, facilitando grandi economie di scala e
di vasta accettazione da parte del mercato: in questo contesto sono stati definiti gli
standard IEEE 802.16 (noto anche come WirelessMAN) ed ETSI HiperMAN.
22
Al fine di sostenere le certificazioni dello standard IEEE 802.16-2004, è stato quindi
costituito un consorzio per l’interoperabilità a livello mondiale per l’accesso a
microonde - Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX).
Nel frattempo, la maggior parte delle iniziative di ricerca a livello mondiale ha iniziato a
concentrarsi sulle architetture di rete IP in grado di disaccoppiare gli strati di
Applicazione e Controllo da quello sottostante di Trasporto. L'obiettivo principale di
questi studi e sviluppi è la perfetta integrazione end-to-end delle diverse tecnologie di
rete: nelle più avanzate architetture di rete ciò è comunemente raggiunto attraverso
speciali "strati di convergenza". Per quanto riguarda lo strato di Trasporto, questi strati
di convergenza sono in grado di interfacciarsi con le diverse tecnologie di base per
mezzo di specifici drivers; verso lo strato di Controllo, offrono funzionalità specifiche
per la QoS /gestione delle risorse, l’autenticazione d'accesso, la sicurezza, ecc.
E’ stato dimostrato che i meccanismi di controllo attuati negli "strati di convergenza"
migliorano le prestazioni della rete, sia in termini di utilizzo/consumo delle risorse che
di soddisfazione degli utenti finali, in quanto semplificano la previsione della migliore
configurazione di rete per ciascuna richiesta di servizio in ingresso.
Il progetto WEIRD mira a valorizzare e migliorare la tecnologia WiMAX nello strato di
convergenza di architetture di rete eterogenee, al fine di far fronte alle esigenze future
della comunità di utenti di ricerca e di costruire piattaforme di sperimentazione che
consentano alle reti europee di ricerca GÈANT, GÈANT2 e alle reti nazionali per la
ricerca, di essere raggiungibili da zone remote o isolate.
2.2.2. Obiettivi scientifici e tecnologici
Il progetto WEIRD implementerà e convaliderà una piattaforma di sperimentazione con
i più avanzati strati di convergenza e di controllo e li migliorerà integrandoli con una
versione perfezionata della tecnologia WiMAX. Ciò fornirà alla comunità scientifica
una rete di accesso a banda larga basata sulla tecnologia WiMAX e direttamente
collegata al GÈANT.
23
Al fine di realizzare una tale infrastruttura di sperimentazione capace di integrarsi
agevolmente con la GÈANT e la NREN, WEIRD deve raggiungere i seguenti obiettivi
tecnici:
1. Migliorare la tecnologia WiMAX:
• Estensioni dello strato di convergenza per il supporto WiMAX (driver
WiMAX);
• Perfezionamento degli strati Data Link e PHY;
• Supporto alla QoS sia in bande con licenza, che in quelle esenti;
• Handover e meccanismi di controllo di accesso nello strato di convergenza per il
WiMAX;
• Interoperabilità con gestione della mobilità;
• Tecniche di Radio-on-fiber (RoF) per la rete di distribuzione WiMAX.
2. Migliorare lo strato di controllo della rete IP:
• Studio e simulazioni sulla pianificazione ottimale della rete, configurazione dei
dispositivi e degli accessori dello strato fisico per sistemi di antenne adattative,
capaci di garantire QoS in uno scenario di competizione tra reti di trasmissione
non cooperative in bande esenti da licenza, sia in condizioni di LOS che non-
LOS (NLOS);
• Definizione di un insieme di linee guida per la disposizione permanente
dell’architettura WEIRD in GÈANT/GÈANT2 e NREN.
3. Sostenere studi e divulgare raccomandazioni:
• Studio e simulazioni sulla pianificazione ottimale della rete, configurazione dei
dispositivi e delle procedure di controllo di accesso al mezzo distribuito, capaci
di garantire QoS in uno scenario di competizione tra reti di trasmissione non
cooperative in bande esenti da licenza, sia in condizioni di LOS che non-LOS
(NLOS);
• Definizione di un insieme di linee guida per la disposizione permanente
dell’architettura WEIRD in GÈANT/GÈANT2 e NREN.
24
4. Valutare gli scenari: le comunità scientifiche partners del progetto (Dipartimento di
prevenzione incedi dell’UoC, Associazione OASI Maria SS., sito scientifico di
monitoraggio del Vesuvio, ufficio meteorologico islandese, Università),
descriveranno i loro scenari di applicazione che guideranno i requisiti di sistema e
le specifiche:
• WiMAX come soluzione per reti di ricerca in aree remote;
• Accesso a banda larga per postazioni remote fisse di ricerca per le quali le
soluzioni cablate non sono efficaci in termini di costi;
• Accesso a banda larga per dispositivi personali nomadici e aggregazioni di
sistemi di raccolta dei dati da sensori in zone impervie (esempio: un vulcano);
• Accesso a banda larga per campus di ricerca estesi;
• Accesso a banda larga per la prevenzione degli incendi;
• Accesso a banda larga per il personale medico che richiede informazioni
mediche ad alta risoluzione in contesti nomadici di emergenza;
• Accesso a banda larga per applicazioni ad alta risoluzione di tele-ingegneria in
zone remote o pericolose (esempio: comando di robot a distanza e/o tele-
presenza);
25
Figura 14 – Uno scenario di applicazione di WEIRD
5. Confermare le applicazioni che la soluzione convergente di WEIRD può offrire,
compresi, tra gli altri:
• Audio e Video over IP:
o VoIP, video conferenza, e streaming video tra personale scientifico;
• Monitoraggio ambientale:
o Monitoraggio incendi e vulcani, compresi streaming dati e video da reti
di sensori e telecamere.
• Tele-medicina
o Streaming dati e video ad alta risoluzione da strumentazione medica.
2.3. Rilevanza degli obiettivi IST primari
Il progetto WEIRD si pone in primo luogo come obiettivo l’IST-5-2.5.6, una
piattaforma di sperimentazione di una rete di ricerca: essa mira a confermare lo stato
attuale della tecnologia wireless, ma anche al suo potenziamento e la sua integrazione,
al fine di prepararsi alla diffusione della prossima generazione di reti di informazione e
comunicazione in tutta Europa.
In sostanza, Il progetto WEIRD propone una connettività a banda larga basata su una
tecnologia wireless che fornisce dei mezzi di riempimento flessibili, economicamente
efficienti, e standardizzati, di quelle lacune esistenti nei servizi a banda larga, non
previsti nel mondo “cablato”.
Il presente lavoro è anche complementare e di sostegno delle attività svolte in materia di
infrastrutture di ricerca sulle reti di comunicazione ad alta capacità e ad alta velocità,
per tutti i ricercatori in Europa (GÉANT), che offre una vera e propria tecnologia di
connessione in grado di aggiungere nuovi NRNs alla rete GÉANT. Per esempio, un
backhaul senza fili è sicuramente la soluzione migliore, in termini di costi e tempi di
disposizione necessari, in presenza di ostacoli fisici, rispetto ad uno di tipo cablato. Con
la tecnologia wireless proposta, una NRN che è effettivamente isolata dal punto di vista
26
del cablaggio, o che appartiene ad un paese in via di sviluppo, può essere facilmente
integrata nella rete di ricerca GÉANT. Ciò consente a ricercatori di terze parti di
usufruire di infrastrutture di prova aperte, compresi gli ambienti di dimostrazione,
favorendo la sinergia e il confronto dei risultati di ricerca, facilitandone la loro
diffusione.
Come detto in precedenza, le reti di ricerca non sono gli unici soggetti ai quali il
progetto WEIRD si rivolge. Vi sono diversi scenari del mondo reale e attività produttive
che possono trarre vantaggio dalla tecnologia proposta. Prima di tutto i clienti
residenziali dei servizi a banda larga e le aree sotto-servite: limiti pratici impediscono
alla tecnologia DSL e via cavo di raggiungere molti potenziali clienti a banda larga,
pertanto molte aree urbane e suburbane non possono essere adeguatamente servite. La
stesura dei cavi ha un costo rilevante, non coperto successivamente se il servizio a
banda larga è offerto in una zona con bassa densità di abbonati. Una soluzione wireless
sembrerebbe più adatta, ma purtroppo l'attuale generazione di sistemi wireless è
relativamente costosa per le implementazioni di massa, in quanto, senza uno standard, è
difficile raggiungere economie di scala. Questa inefficienza di costo potrà essere risolta
tramite la promozione di sistemi basati su standard, come sostenuto nel progetto
WEIRD. Gli standard sono importanti per l'industria del wireless, perché consentono
economie di scala in grado di ridurre il costo degli apparati, garantire l'interoperabilità, e
la riduzione dei rischi di investimento per gli operatori.
Considerando gli ambienti di produzione, la connettività a banda larga ad Internet
rappresenta, per molte imprese, una missione critica nella misura in cui queste
organizzazioni possono effettivamente raggiungere e rendere disponibili i servizi a
banda larga in zone in cui la società telefonica locale potrebbe impiegare molto tempo
per farlo. Uno degli obiettivi del progetto WEIRD è quello di rimuovere questa
discriminazione geografica basata sulla disponibilità di servizi a banda larga, al fine di
incoraggiare la nascita e la crescita di nuovi settori di attività per le imprese. In questo
contesto, il progetto WEIRD, promuovendo le WMAN (Wireless Metropolitan Area
27
Network), mira anche a superare l’attuale copertura delle WLAN (Wireless Local Area
Network), consentendo così non solo una comunicazione all'interno di un singolo
edificio, ma anche tra le diverse sedi di una società presenti all’interno dell’area di
copertura del segnale.
Inoltre, il progetto WEIRD mira a integrare, testare, e dimostrare la validità della
tecnologia di accesso wireless WiMAX chiamata a risolvere le difficoltà nelle
implementazioni dell’ultimo miglio. I WISP (Wireless Internet Service Provider)
richiedono tecnologie wireless che rendono possibile l'accesso in area metropolitana. I
tre aspetti principali che compongono l'area metropolitana di accesso sono i backhaul,
l’ultimo miglio, e l’estensione dell’area di copertura. L’ultimo miglio wireless e
l’estensione dell’area di copertura di solito utilizzano uno standard opportunamente
modificato (IEEE 802.11), ma la necessità di uno specifico standard è evidente e il
progetto WEIRD contribuisce per la sua istituzione: tecnologie radio standard aperte
offrono vantaggi a WISP e utenti ; Molti settori dell’industria dell’innovazione sono alla
guida delle tecnologie di rete wireless a banda larga.
L'obiettivo di WEIRD è quello di integrare WiMAX in contesti di reti eterogenee,
definendo le interfacce con gli strati di convergenza. L'autenticazione, l'autorizzazione,
l’accounting, il roaming, la sicurezza, la QoS, e la gestione delle risorse saranno i
principali campi su cui il progetto WEIRD si concentrerà, e la linea che verrà seguita
per realizzare nuovi algoritmi sarà basata su avanzate teorie matematiche e di controllo,
che permetteranno per il raggiungimento di un alto grado di autonomia della rete.
Infine, considerando i contesti scientifici, il progetto WEIRD sostiene una tecnologia
che sarà molto utile in tutte quelle situazioni in cui la presenza umana non può essere
garantita con continuità. Questi scenari includono tutte le attività di monitoraggio in
zone remote o pericolose, come le postazioni di monitoraggio vulcaniche, di
prevenzione degli incendi, o semplicemente la comunicazione tra zone isolate, come le
piattaforme in mare aperto. Pertanto il progetto WEIRD promuove l'interoperabilità tra
le varie soluzioni scientifiche e industriali e questo significa anche la possibilità di
28
sperimentazione su larga scala con impostazioni reali per promuovere l'interoperabilità
tra i domini tecnologici eterogenei, con particolare attenzione alle nuove tecnologie
wireless.
2.4. Stato di avanzamento
Questo paragrafo descrive lo stato di avanzamento delle tecnologie d’interesse per il
progetto WEIRD: nella sezione 2.4.1 sono descritte le attività di standardizzazione in
corso; mentre nella sezione 2.4.2 è descritta brevemente l’attività accademica di ricerca
in corso.
Il paragrafo successivo, il 0, descrive alcune limitazioni dello stato della tecnica che
potranno essere superate col contributo di WEIRD.
2.4.1. Attività di standardizzazione in corso
IEEE 802.16 e il WiMAX Forum
IEEE 802.16 tratta di un gruppo di standard di comunicazione wireless a banda larga
per reti in area metropolitana (MAN). Lo standard 802.16 originale, pubblicato nel
dicembre 2001, ha precisato sistemi wireless a banda larga punto-multipunto fissi che
operano con licenza nello spettro 10-66GHz. Un emendamento, l’802.16a, approvato
nel gennaio 2003, ha specificato le estensioni NLOS (non-line-of-sight) nello spettro 2-
11 GHz, offrendo fino a 70 Mbps a distanze di 31 miglia per essere utilizzate in
applicazioni a bassa latenza come voce e video. Ufficialmente chiamato WirelessMAN
™, lo standard IEEE 802.16 fornisce una tecnologia valida per l’ultimo miglio,
consentendo un’alternativa wireless al cablaggio per i servizi a banda larga.
29
Sebbene i primi emendamenti allo standard riguardino soltanto le connessioni wireless
fisse, un ulteriore emendamento, IEEE 802.16e, consente connessioni per dispositivi
mobili.
Un consorzio di aziende del settore wireless, tra cui Intel, Proxim e Nokia, ha formato,
nell’aprile del 2001, un gruppo di difesa del WiMAX 802.16. Lo scopo
dell'organizzazione è quello di promuovere attivamente e certificare la compatibilità e
l'interoperabilità dei dispositivi basati sullo standard 802.16, e di sviluppare tali
dispositivi per il mercato.
La principale missione del consorzio WiMAX è quella di consentire una più ampia
penetrazione della banda larga nelle aree che per tempo, costo e raggiungibilità non
possono essere servite con soluzioni alternative. Tuttavia, esso contribuisce fornendo
ulteriori estensioni allo standard, come nel caso di IEEE 802.16e.
ETSI Broadband Radio Access Networks (BRAN) – HIPERACCESS
Lo standard HIPERACCESS è mirato all’accesso fisso wireless multimediale a banda
larga in alta frequenza (40,5-43,5 GHz). HIPERACCESS è stato definito per l’accesso
wireless punto-multipunto fisso ad alta velocità e ad alta qualità, fino a 120 Mbps (25
Mbps tipica velocità dati) di utenti residenziali e piccole imprese ad un'ampia varietà di
reti, comprese le reti UMTS, ATM, e reti basate su IP. Il sistema è in grado di
supportare applicazioni multimediali e sarà gestito con licenza in bande di frequenza
oltre gli 11GHz (26, 28, 32, 42 GHz) con alta efficienza spettrale sotto condizioni LOS
(Line Of Sight).
HIPERACCESS presenta diversi aspetti comuni con IEEE 802.16, ma si basa su PDU
di dimensione fissa (ottimizzazione per il traffico CES e ATM, nonché IP), mentre
IEEE 802.16 su PDU a dimensione variabile (ottimizzazione solo per stazioni IP).
Tuttavia, l'ETSI BRAN coopera strettamente con IEEE-SA (Gruppo di lavoro 802.16)
per armonizzare gli standard di interoperabilità di reti multimediali ad accesso wireless
fisso a banda larga.
30
ETSI Broadband Radio Access Networks (BRAN) – HIPERMAN
HIPERMAN sarà un sistema interoperabile di accesso wireless a banda larga fissa
operativo a frequenze radio tra 2 GHz e 11 GHz. Lo standard HIPERMAN è progettato
per rispondere alle esigenze di accesso wireless fisso delle PMI e degli utenti
residenziali, ed utilizza il MAC (DLC e CL) dello standard IEEE 802.16-2001. E 'stato
sviluppato in stretta collaborazione con IEEE 802.16, pertanto lo standard HIPERMAN
e un sottoinsieme di IEEE 802.16a-2003 interoperano senza problemi. HIPERMAN è in
grado di sostenere ATM, anche se l'obiettivo principale è il traffico IP. Esso offre varie
categorie di servizi, piena qualità di servizio, gestione veloce del controllo di acceso,
sicurezza, adattamento veloce della codifica, della modulazione, e della potenza di
trasmissione alle condizioni di propagazione, e la capacità di operare in NLOS.
HIPERMAN supporta inoltre l’allocazione di frequenze sia in FDD che in TDD. Tutto
questo è realizzato con un numero minimo di opzioni per semplificare
l'implementazione e l'interoperabilità. HIPERMAN può essere considerato un
concorrente equivalente al WiMAX in Europa. Tuttavia, i due gruppi si relazionano
attivamente per rendere possibile la loro piena interoperabilità.
3GPP IMS
Il sistema 3GPP nella sua prima versione (R99), è stato progettato per essere
compatibile con le attuali infrastrutture GSM a commutazione di circuito. Tuttavia, il
sistema 3GPP sta evolvendo lentamente verso una rete basata su IP, infatti le
infrastrutture a commutazione di circuito esistenti saranno superate e sostituite da
hardware basato su IP, in quanto scalabile e conveniente da installare e mantenere, a
causa della maggiore competitività del mercato. A tal proposito, attraverso le specifiche
REL-4 e REL-5, è stato introdotto il sottosistema multimediale IP (IMS), in primo
31
luogo per gestire i servizi classici ad acceso a circuito (come la voce) su IP, in secondo
luogo per gestire tutti i servizi multimediali forniti ad un abbonato. IMS utilizza il
Session Initiation Protocol (SIP) per instaurare, mantenere e terminare le sessioni
multimediali e voce. L'infrastruttura e il meccanismo di controllo del sistema WEIRD
saranno implementati tenendo conto della soluzione 3GPP.
ETSI TISPAN
TISPAN è il centro di competenza ETSI per le reti fisse e la migrazione da reti a
commutazione di circuito a reti a pacchetto con un'architettura comune. TISPAN è
responsabile per tutti gli aspetti di standardizzazione per il presente e il futuro, tra cui la
convergenza delle reti NGN (Next Generation Network), compresi gli aspetti di
servizio,quelli architetturali e di protocollo, studi sulla QoS, la sicurezza, su aspetti di
mobilità all'interno di reti fisse, utilizzando risorse esistenti e tecnologie emergenti.
ETSI EMTEL
Il concetto di telecomunicazioni di emergenza (EMTEL) è rivolto ad un ampio numero
di aspetti legati alla fornitura di servizi di telecomunicazioni in situazioni di emergenza.
Situazioni di emergenza possono variare da una ristretta percezione individuale di
pericolo (con la necessità di effettuare una chiamata di emergenza dovuta ad improvvisa
malattia, incidente stradale, focolaio d'incendio in casa, ecc.) a una prospettiva molto
ampia di gravi minacce alla sicurezza pubblica (situazioni di disastro a causa di eventi o
di processi, quali terremoti, inondazioni, attacchi terroristici su larga scala, ecc.).
Il concetto copre anche le esigenze di telecomunicazioni delle forze impiegate per
garantire la sicurezza pubblica, come le forze di polizia, unità antincendio, servizi di
ambulanza e di altri servizi medici e sanitari, oltre a servizi di protezione civile. Le
esigenze di telecomunicazioni da parte di tali servizi sono state finora soddisfatte da reti
32
ed apparati dedicati, spesso diversi per servizi diversi, ma con la tecnologia moderna è
sempre più possibile integrare tali servizi con i servizi pubblici di telecomunicazioni.
2.4.2. Ricerche in corso in ambito accademico
La competitività di WiMAX sul mercato e la sua effettiva realizzazione in reti di
accesso in gran parte dipendono dagli effettivi data rates raggiungibili. Tuttavia, allo
stato attuale è difficile giudicare a causa del gran numero di possibili opzioni e delle
esigenze di mercato. In realtà, a causa di tutte le potenziali opzioni (data rates,
prestazioni, ecc) descritte dagli standard, vi è attualmente una confusione significativa
circa il tipo di prestazioni che i sistemi WiMAX-compatibili debbano essere in grado di
conseguire, nonché una sostanziale mancanza di informazioni sugli aspetti relativi
all’insieme di servizi end-to-end richiesti nell’utilizzo o attraversamento di reti
WiMAX. Alcuni studi preliminari sui sistemi WiMAX-compatibili sono stati incentrati
sui reali valori di throughput e sulle prestazioni ottenute considerando soltanto una
specifica combinazione di MAC/PHY tra quelle messe a disposizione dallo standard.
Queste simulazioni e valutazioni analitiche delle prestazioni non consentono di
determinare la configurazione di sistema più adatta alle diverse condizioni di
funzionamento (backhaul WiMAX in LOS o NLOS, reti di accesso WiMAX,variante in
mobilità). Inoltre, le simulazioni e le valutazioni analitiche di queste diverse prestazioni
del sistema sono state condotte adottando modelli di traffico eccessivamente
semplificati (come processi Poissoniani di arrivo dei pacchetti di dimensioni fisse o
condizioni di saturazione), o soltanto uno altamente specifico (come un particolare
flusso video, una serie di chiamate VoIP, e così via). Inoltre, il principale obiettivo
prestazionale indagato dai diversi studi è in genere il throughput aggregato della rete;
dovrebbe dunque essere considerata una più ampia gamma di obiettivi prestazionali,
compresi il tasso perdita di pacchetti, il ritardo dei pacchetti e la sua varianza, e altri più
specifici.
33
2.5. Progressi rispetto allo stato attuale
La prevista realizzazione di tecnologia WiMAX in reti eterogenee alimentate con gli
strumenti e i meccanismi dello strato di convergenza costituisce il principale campo di
innovazione del progetto WEIRD. Il progetto cercherà di impattare il meno possibile sui
moduli architetturali maturi, concentrando l'attenzione, in questi casi, sugli aspetti di
interoperabilità necessari per costruire un sistema modulare coerente. Di conseguenza,
saranno evidenziati profondi intrecci e dipendenze tra le diverse procedure: QoS a strato
2 e strato 3, sicurezza con autenticazione e autorizzazione, accounting con misurazioni
continue dei parametri di rete, integrazione e coesistenza di diverse gerarchie di servizi
per reti private virtuali (VLAN, VPN, ecc.). La progettazione e lo sviluppo di questa
interfaccia, come pure dei drivers per lo strato di convergenza, apporteranno
miglioramenti significativi rientrando nelle specifiche dello standard.
Le dimostrazioni su piattaforme di sperimentazione distribuite delle funzionalità
progettate e realizzate coprono l'intera durata del progetto e forniranno progressive
conferme delle soluzioni WEIRD.
Il progetto WEIRD prevede di migliorare la qualità della tecnologia WiMAX e di
rafforzare il consenso del mercato. Le principali innovazioni del progetto WEIRD, o che
avranno un potenziale impatto in questo senso, comprendono:
• la definizione e l’implementazione di prototipi degli elementi di rete e
middleware necessari, fornendo soluzioni di connettività innovative per le
infrastrutture di ricerca basate su un’architettura dello strato di controllo IP
perfezionata;
• lo studio delle attuali e future tecnologie di rete e della possibilità di migliorare
le prestazioni di servizio della rete mediante soluzioni di monitoraggio. Il
monitoraggio e la definizione di profili di rete consentono la modifica dinamica dei
parametri di adattamento e, se necessario, il cambiamento della tecnologia di
accesso alla rete utilizzata, al fine di mantenere una buona esperienza dei servizi
multimediali da parte dell’utente finale;
34
• lo studio della sicurezza e della QoS sulla base di un’architettura end-to-end
IPv6: ciò è importante per sviluppare modelli e algoritmi per il supporto della QoS
e del routing, per l’autenticazione d'utente e di nodo, il rilevamento delle intrusioni,
applicati alla rete wireless di base, sia IPv4 che IPv6;
• la caratterizzazione degli scenari e delle applicazioni WiMAX inerenti le reti di
ricerca in collaborazione con i soggetti coinvolti nel progetto;
• l’implementazione di prototipi di elementi di rete secondo le applicazioni
selezionate.
Limiti dello stato attuale di avanzamento Contributo di WEIRD
Mancanza di standard per l’interazione di diversi meccanismi di segnalazione, in particolare ai confini dei domini di rete, che consentono diversi approcci alla gestione della QoS (DiffServ, priorità nello strato 2, ecc.) in scenari di accesso multi-dominio e multi-tecnologia.
Definizione di interfacce di rete generalizzate e di meccanismi (ad esempio per le interazioni tra lo strato di controllo e quello di convergenza) che consentono la negoziazione automatica degli SLA e l’invocazione di servizio ai confini dei domini di rete, basati sull’interoperabilità degli attuali meccanismi di segnalazione.
Manca l'armonizzazione tra i meccanismi di sicurezza disponibili nelle diverse tecnologie/architetture, e l’interoperabilità di procedure AAA in scenari multi-operatore.
Definizione di un quadro di riferimento per la completa integrazione di sicurezza end-to-end e procedure di AAA, al livello degli strati di controllo e di gestione, nelle sezioni di rete considerate.
Studi preliminari sui sistemi WiMAX-compatibili sono stati incentrati sui reali valori di throughput e sulle prestazioni ottenute considerando soltanto una specifica combinazione di MAC/PHY tra quelle messe a disposizione dallo standard.
Simulazioni sui possibili miglioramenti alla tecnologia WiMAX standardizzata per le applicazioni relative agli scenari selezionati saranno finalizzati a valutare le prestazioni non solo in termini di produttività, ma anche in termini di adempimento degli obblighi di servizio richiesto dalle applicazioni (VoIP, videoconferenze e streaming video , tele-medicina, e-learning, tele-ingegneria).
Reti fisse e mobili non sono pienamente integrate. L’integrazione tra reti fisse e mobili sarà perfezionata dal progetto WEIRD. Questo obiettivo sarà raggiunto tramite l'integrazione di funzioni di segnalazione estese allo strato di controllo e l’ottimizzazione dello strato di convergenza.
35
Le applicazioni non sono consapevoli dell’ambiente e delle infrastrutture.
L’adattamento delle applicazioni previsto dal progetto WEIRD ne migliora la consapevolezza ambientale. Ciò sarà ottenuto mediante l'integrazione di opportuni meccanismi per la gestione dell’allocazione di risorse.
Alcune comunità di ricerca che lavorano in zone remote o impervie, non hanno connettività a banda larga.
WEIRD comprende comunità di utenti che guidano i requisiti di sistema per permettere l'ottenimento di una soluzione in grado di estendere GEANT e risolvere il loro problema.
Architetture inesistenti o non efficaci in termini di costi per la diffusione delle reti di accesso WiMAX.
Concezione, progettazione, e convalida di sottosistemi per il massiccio dispiegamento di reti WiMAX a basso costo. Possibilità di estendere la copertura delle reti WiMAX ad ambienti di propagazione difficili, come la metropolitana.
Le attuali tecnologie internet non sono adatte all’utilizzo in situazioni di emergenza e alla copertura di aree remote.
WEIRD migliorerà l'offerta tecnologica per supportare applicazioni di emergenza e di copertura di aree remote. Il progetto fornirà connessione a banda larga e in mobilità per sperimentare la prevenzione degli incendi e il monitoraggio dei vulcani, e consente l'utilizzo di queste applicazioni in scenari di emergenza.
Tabella 4 – Progressi introdotti daWEIRD allo stato attuale di avanzamento
2.6. Piano d’implementazione strutturale e logica di WEIRD
Il piano di attuazione del progetto dura 24 mesi. Durante la prima fase è effettuata
un’analisi degli aspetti principali dello stato di avanzamento, tenendo in considerazione
le attuali attività di standardizzazione, i risultati ottenuti dalle più importanti industrie, e
dei progetti di ricerca pubblici e privati, passati e in corso. I partner del progetto che
hanno partecipato ai principali progetti di ricerca europei con risultati nel campo di
applicazione di WEIRD, analizzeranno e sfrutteranno i risultati prodotti, in modo tale da
evitare uno spreco di risorse in attività replicate.
36
Le prime attività di implementazione cominceranno in corrispondenza dal primo
pacchetto di risultati del lavoro di analisi e comporterà la consegna di una prima
versione di implementazioni al mese 12, con le applicazioni di tele-medicina e di
monitoraggio ambientale. A questo punto può iniziare l’integrazione di sistema e le
prove possono essere effettuate sulle piattaforme di test. In parallelo, le attività di
implementazione saranno sottoposte all'intera infrastruttura di test (strati di applicazione
e controllo), con funzionalità di QoS, di autenticazione e sicurezza. Il lavoro sugli strati
WiMAX specifici comprenderà l’implementazione di un adattatore WiMAX, al fine di
integrarlo in un sistema di reti eterogenee. Nel frattempo, saranno valutate e simulate
delle proposte di perfezionamento degli strati MAC e PHY.
Durante l'intero progetto, saranno promosse attività di diffusione e valorizzazione per garantire
un impatto sia all'interno che esterno del consorzio.
Infine, le attività di gestione faranno sì che gli obiettivi del progetto saranno soddisfatti in modo
efficace ed efficiente.
2.7. Attività di ricerca, sviluppo tecnologico e d’innovazione connesse
al progetto
2.7.1. Requisiti (AC2400)
Le attività descritte in precedenza portano a requisiti tecnici che dovranno essere
soddisfatti dal sistema proposto, secondo i servizi e delle applicazioni previsti nel
quadro del progetto. Nel presentare l'attività, i requisiti sono specificati e commentati.
Una vasta gamma di applicazioni (audio e video conferenza, trasferimento dei dati,
streaming multimediale, instant messaging, Web browsing) comporterà un certo numero
di requisiti diversi in termini di larghezza di banda e parametri di QoS. D'altra parte, le
condizioni al contorno in cui sarà sviluppato il sistema saranno molto variabili. Ciò
37
porterà alla definizione di una serie di requisiti che riguardano, tra gli altri, i seguenti
argomenti:
• utenti: i requisiti d’utente saranno guidati da comunità di utenti WEIRD;
• throughput: raggiungimento di un throughput elevato, con un alto livello di
efficienza spettrale e di tolleranza alle riflessioni del segnale, richiede una
tecnologia basata su un sistema di modulazione robusto;
• copertura: essendo previsto un utilizzo in condizioni ambientali avverse, sono
richieste tecnologie di ottimizzazione della copertura, tra cui le “smart antenna”.
• adattabilità dinamica alle condizioni ambientali: secondo le circostanze, il
throughput dovrebbe essere negoziato in modo dinamico (ad esempio, il passaggio
da 64 QAM a 16 QAM per aumentare la banda efficace);
• qualità del servizio: devono essere supportate caratteristiche per consentire
servizi a bassa latenza, come voce (TDM o VoIP) e video, ma anche servizi elastici,
come il trasferimento di file;
• affidabilità: deve essere garantita l’affidabilità per classe di trasporto, richiesta
dalla maggior parte dei servizi pubblici di rete;
• scalabilità: è necessario applicare un’allocazione flessibile della banda del
canale;
• sicurezza: autenticazione e la crittografia dei dati sono requisiti fondamentali
per un appalto pubblico di servizi wireless;
• mobilità: in numerosi scenari di applicazione la mobilità di utente e di
terminale sono requisiti fondamentali, che devono essere valutati tenendo conto
dello stato d’avanzamento della tecnologia WiMAX, ovvero dell'evoluzione verso
lo standard 802.16e.
38
2.7.2. Specifiche complessive di sistema (AC2500)
Quest’attività raffina il lavoro di WP2000 ed ha il ruolo importante di condurre ad
un'architettura generale che descriva la struttura WEIRD, basandosi sui risultati
consolidati di analisi dei requisiti delle attività precedentemente descritte. Nella Figura
15 è indicata una descrizione dei suoi componenti.
39
Figura 15 – Descrizione del sistema WEIRD
2.8. Progettazione ed implementazione della piattaforma di
sperimentazione dell’infrastruttura (WP3000)
Il Work Package 3000 punta a fornire la progettazione architetturale, l'integrazione dei
protocolli e dei meccanismi di controllo esistenti, e l'implementazione delle modifiche
necessarie alle applicazioni, negli strati di trasporto e di controllo di WiMAX, a
supporto dell'infrastruttura WEIRD di sperimentazione. WP3000 riceverà gli input di
base da WP2000, e in particolare da AC2200 sull'identificazione di scenari di sistema, e
da AC2500 sulle specifiche WEIRD. WP3000 conterà su cinque campi di attività:
applicazioni, strato di controllo, strato di trasporto, adattatore WiMAX, e strati specifici
WiMAX. Tutte queste attività saranno effettuate parallelamente per permettere, tramite
release progressive, le attività di test di WP5000.
2.8.1. Applicazioni (AC3100)
Questa attività definirà e adatterà le applicazioni e i relativi servizi al fine di utilizzarle
nell’infrastruttura WEIRD nelle prove definite delle comunità scientifiche. Le
applicazioni possono includere:
• applicazioni generiche come VoIP, videoconferenza su IP, incluso lo streaming
video per l'uso generico nel controllo e nella distribuzione di contenuti;
• applicazioni di tele-medicina compreso lo streaming video ad alta definizione e
streaming di dati dall'apparecchiatura medica, per le comunità di utenti clinici;
• applicazioni di monitoraggio ambientale comprese quelle per il monitoraggio
dell’attività vulcanica e la prevenzione incendi, e streaming video da reti di sensori
e videocamere per le rispettive comunità di utenti.
I requisiti finali del sistema e della rete di servizi (nel contesto fisso o mobile), basati su
tipi differenti di applicazioni software, possono essere rappresentati in una visione 3D
40
che influenzano sostanzialmente la scelta della appropriata tecnologia di rete. Le tre
dimensioni possono essere:
• grado di mobilità dell'utente;
• larghezza di banda necessaria;
• livello di QoS richiesto (per parametri come: perdita, ritardo, jitter, disponibilità,
affidabilità, ecc.).
Figura 16 – Spazio 3D dei servizi per le applicazioni
In termini di livelli di QoS garantita, la gamma di soluzioni può andare da “nessuna
garanzia" - come nei servizi IP classici di tipo Best Effort – a garanzie (dure)
deterministiche - simili ai servizi con linee dedicate virtuali. L'offerta di garanzie
statistiche quantitative o di garanzie deterministiche, richiede l’introduzione di funzioni
di controllo di ammissione nello strato di controllo per funzionare sulle interfacce di
accesso, nel momento in cui giungono nuove richieste di servizio.
41
Figura 17 – Dettaglio dell’asse della QoS
Il progetto WEIRD classificherà le applicazioni ed i servizi e considererà quelli
potenzialmente implementabili nella catena di comunicazione di un'infrastruttura
WiMAX. WEIRD studierà i livelli di QoS garantita richiesti e determinerà in quale
misura le possibili soluzioni WiMAX possono soddisfare questi requisiti.
Il lavoro di implementazione riguardo alle applicazioni comprenderà lo sviluppo di API
(Application Programming Interfaces) specifiche verso lo strato di controllo WEIRD.
Dal lato dell’applicazione, l'effetto di una tale attività provocherà un adattamento delle
applicazioni comuni disponibili per lo streaming video, la videoconferenza, la tele-
medicina, il traffico VoIP, ecc.. Dal lato della rete, questa API rappresenterà
un'interfaccia verso lo strato superiore necessaria per aprire lo strato di controllo
WEIRD al mondo esterno e in modo specifico, per permettere l’interoperabilità con le
applicazioni dell'utente finale.
Il metodo di adattamento dell’applicazione sarà incrementale. In primo luogo il progetto
realizzerà l'adattamento di base delle applicazioni selezionate approfittando della
tecnologia WiMAX per permettere un tempestivo inizio dei test. In seguito, i
42
cambiamenti più profondi saranno introdotti nelle applicazioni per incorporare la
mobilità ed una completa consapevolezza dell'ambiente con funzioni di handover e
roaming.
2.8.2. Strato di controllo (AC3200)
Questa attività mirerà a progettare, integrare e sviluppare prototipi necessari per fornire,
al livello dello strato di controllo, le funzionalità avanzate di rete definite in WP2000 e
richieste per sviluppare l'infrastruttura di sperimentazione WEIRD.
Gli obiettivi principali di questa attività saranno:
• la gestione e il controllo end-to-end coerente della QoS e delle risorse, che saranno
compatibili con le specifiche architetturali di WP2000 e con le relative attività di