Paolo Bozzelli
WiMAX e mobilità
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELL’AQUILA CORSO DI RETI DI CALCOLATORI
WiMAX e mobilità
Studente: Paolo Bozzelli Matricola: 158688
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WiMAX e mobilitĂ
a Mattia Bozzelli
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Indice Indice .............................................................................................................................. 3 Introduzione ............................................................................................................... 4 1. WiMAX: caratteristiche generali ....................................................... 5 1.1 Utilizzo ...............................................................................................................5 1.2 Struttura di rete.................................................................................................5 1.3 Standard 802.16.................................................................................................7 1.4 MAC level ...........................................................................................................8 1.5 PHY level............................................................................................................8 1.6 Confronto con tecnologie alternative (fixed mode) ...........................................9 1.6.1 Wi-Fi .....................................................................................................9 1.6.2 HIPERMAN .......................................................................................10 1.7 WiMAX Mobile .................................................................................................10
2. WiMAX e mobilità ............................................................................... 12 2.1 Mobilità: problema e necessità ........................................................................12 2.2 Standard 802.16e .............................................................................................12 2.2.1 Scalable OFDMA ...............................................................................13 2.3 ASN Gateway...................................................................................................14 2.4 Mobile IP ..........................................................................................................14 2.4.1 MIPv4 .................................................................................................15 2.4.2 MIPv6 .................................................................................................15 2.5 Compatibilità con tecnologie esistenti ............................................................15 2.5.1 WiBRO................................................................................................16 2.6 3G/4G: principali concorrenti del WiMAX ......................................................16 2.6.1 UMTS .................................................................................................16 2.6.2 Long Term Evolution (LTE) ..............................................................17
3. Il WiMAX in Italia ............................................................................... 18 4. Conclusioni .......................................................................................... 22
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Introduzione La crescente necessità di interconnessione, che le odierne reti hanno dimostrato di avere, ha fatto nascere l’esigenza di possedere una connettività più stabile e distribuita su tutto il territorio, specie in quelle zone dove il digital divide è un problema molto sentito: stiamo parlando di luoghi non vicini alle realtà urbane, per i quali è difficile – e soprattutto dispendioso – accedere alle risorse della Rete in modo semplice ed efficiente. L’accrescimento culturale ed istituzionale della Rete ha dato luogo ad una vera e propria manifestazione di bisogno di accedere a risorse e servizi condivisi, sia per accrescere la propria conoscenza che per contribuire a quella condivisa. I moderni mezzi di comunicazione hanno permesso l’espansione di queste conoscenze, grazie all’introduzione della banda larga, sulla quale ogni investimento è sinonimo di successo, in ogni campo: dalla ricerca, alla cultura, all’informazione e al divertimento. La prossima sfida, in termini di progresso, sarà estendere queste possibilità anche in luoghi dove oggigiorno questo non avviene, garantendo l’accesso alle risorse e ai servizi condivisi anche a quegli utenti e a quelle aziende che fino ad oggi hanno avuto imbarazzanti difficoltà nel farlo. Il WiMAX nasce per questo: porsi come alternativa all’accesso a banda larga DSL, garantendo accesso wireless a banda larga per l’ultimo miglio, non trascurando key feature quali la qualità del servizio, la flessibilità e la sicurezza. Come vedremo in questo testo, il WiMAX è una valida alternativa sia dal punto di vista delle performance che dal punto di vista economico, risultando un ottimo investimento sia per i fornitori che per gli utenti. Un traguardo che il WiMAX ha già raggiunto (e standardizzato) è l’evoluzione da fixed a mobile: grazie all’utilizzo dello standard 802.16e, è possibile garantire la stessa efficienza anche a livello mobile, dando la possibilità di accedere a risorse e servizi condivisi anche in movimento. La concorrenza nel campo mobile rimane comunque aperta ed agguerrita: tecnologie affermate come l’UMTS (3G) e progetti ambiziosi come il Long Term Evolution (LTE) ostacolano la diffusione su larga scala del WiMAX, che tuttavia, dati i bassi costi di investimento, si presenta come una solida e valida alternativa alle moderne tecnologie d’accesso broadband cabled e wireless.
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1. WiMAX: caratteristiche generali Il WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) è una tecnologia di comunicazione wireless che garantisce l’accesso broadband su lunghe distanze e in modi diversi, dai collegamenti punto-punto all’accesso mobile. Questa tecnologia ha il vantaggio di poter essere utilizzata su qualsiasi tipo di territorio, senza particolari eccezioni in termini geografici. Le elevate prestazioni, unite ai bassi costi di realizzazione, fanno del WiMAX un valido competitore nel mercato delle telecomunicazioni. Le prestazioni di una rete WiMAX, conforme allo standard 802.16e, fanno segnare velocità ottimali di uplink e downlink fino a 70 Mbit/s teorici. Nella pratica, il WiMAX vede decrementare le proprie performance ai limiti del proprio raggio d’azione: infatti, il bit rate è decisamente inferiore all’aumentare della distanza dalla stazione base, a causa dell’incremento del bit error rate. In questo capitolo, descriveremo il WiMAX analizzandone dapprima l’utilizzo, per poi proseguire in dettagli tecnici come la struttura di rete, lo standard 802.16 e i livelli fisico e media access control (MAC), per poi concludere con una panoramica sul mobile (che descriveremo in dettaglio nel capitolo 2).
1.1 Utilizzo Innanzitutto percorriamo un breve percorso tra i possibili utilizzi del WiMAX e delle applicazioni che questa nuova tecnologia può ospitare. Dal punto di vista tecnico, il WiMAX offre la possibilità di interconnettere diversi hotspot Wi-Fi, nonché di connettere questi stessi hotspot ad altri soggetti coinvolti nella rete Internet. Come già accennato nell’introduzione, il WiMAX si propone come alternativa alla connettività DSL delle reti wired, con l’obiettivo di aumentare l’accesso broadband dell’ultimo miglio. Oltre a fornire servizi ad alta velocità per dati e comunicazioni, e a garantire la mobilità degli utenti, il WiMAX è un’ottima fonte alternativa di accesso a Internet anche in campo business: avere un accesso fisso ed uno wireless può garantire la continuità dei servizi di un’azienda che basa il proprio piano di lavoro sulla comunicazione, nel caso in cui uno dei due accessi potesse venir meno.
1.2 Struttura di rete La prima distinzione da fare, quando si vuole descrivere la struttura di rete del WiMAX, è tra la modalità fixed e la modalità mobile. Infatti, nella modalità mobile entrano in gioco nuovi componenti di rete, indispensabili per garantire la qualità del servizio anche in situazioni di mobilità. Descriveremo dapprima la modalità fixed.
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Una rete WiMAX fixed è composta da quattro componenti principali: la stazione base (base station, BS), la stazione subscriber (subscriber station, SS), i terminal equipment (TE) e le stazioni ripetitori (repeater station, RS). La base station è una postazione di comunicazione fissa wireless, che riceve, amplifica e trasmette i segnali ricevuti dalle altre stazioni. Principalmente una base station ha la responsabilità di coprire un’area intera, raccogliendo l’intero traffico proveniente dalle diverse stazioni subscriber ad essa connesse. Inoltre, la base station rappresenta la fonte principale per la connessione degli utenti ad una rete WiMAX, con il solo vincolo di un unico punto d’accesso per volta. La subscriber station inoltra il traffico in uscita da un terminal equipment ad una base station che, a sua volta, inoltra il traffico alla destinazione finale. Il terminal equipment è un qualunque dispositivo terminale tramite il quale un utente è connesso alla rete ed usufruisce dei suoi servizi. La repeater station è un componente di rete che ha il compito di inoltrare le trame ad utenze notevolmente distanti da una base station. Può essere usata anche come ripetitore da un terminal equipment verso la base station. Nella versione mobile, la rete WiMAX si arricchisce di nuovi componenti, rispetto a quelli basilari della versione fixed precedentemente descritta: l’ASN GW (Access Service Network Gateway), l’HA (Home Agent Mobile IP) e l’AAA server. L’ASN Gateway (che descriveremo in dettaglio nel paragrafo 2.3) è l’apparato di rete al quale vengono collegate diverse stazioni radio base; ha il compito di supportare diverse funzionalità: la gestione della qualità del servizio (QoS management), la gestioni della chiavi di cifratura, l’autenticazione, le procedure di registrazione Mobile IP e le procedure di mobilità inerenti agli utenti che si spostano tra una base station ed un'altra (handover). L’Home Agent Mobile IP gestisce le procedure di mobilità degli utenti che si muovono tra un ASN Gateway ed un altro, se questi non sono connessi tra di loro. Inoltre, l’HA Mobile IP è responsabile del cambio di indirizzo IP nel caso in cui gli utenti si spostino da una sottorete IP ad un'altra. Descriveremo in dettaglio le funzionalità del protocollo Mobile IP nel paragrafo 2.4. L’AAA server è il responsabile dell’autenticazione degli utenti. I meccanismi di autenticazione implementati dall’AAA server possono essere differenti: username e password, smartcard o SIM card. Se l’autenticazione di un utente va a buon fine, l’AAA server genera le chiavi utilizzate per la gestione della tariffazione e per la cifratura del segnale; altrimenti, l’AAA server non permette l’accesso ai servizi. Naturalmente, è possibile interconnettere questi componenti: la base station può essere connessa ad un ASN Gateway attraverso un collegamento IP; gli ASN Gateway possono essere interconnessi tra di loro, con un HA Mobile IP e con un AAA server. Per descrivere ciò, esaminiamo l’architettura che il WiMAX Forum ha designato per garantire l’interoperabilità tra le reti WiMAX e le altre reti, permettendone la comunicazione. La seguente architettura, oltre a definire le tecniche di interconnessione, definisce anche alcuni aspetti operativi come il processo di autenticazione e di allocazione degli indirizzi, ovvero tutte quelle funzionalità inerenti qualsiasi tipo di rete.
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Figura 1 Architettura WiMAX (definita dal WiMAX Forum)
Com’è possibile esaminare dalla figura, l’architettura del WiMAX definisce alcuni componenti basilari, ovvero: • SS/MS: Subscriber Station o Mobile Station (secondo il tipo di utenza che usufruisce dei servizi della rete); • ASN: Access Service Network, composta da o BS: la Base Station; o ASN GW: l’ASN Gateway, il quale permette di interfacciare l’ASN con il resto della rete; • CSN: Connectivity Service Network, composta da o HA: Home Agent o AAA server: Authentication, Authorization and Accounting server; • NAP: il Network Access Provider; • NSP: il Network Service Provider; E’ utile notare che l’architettura funzionale può essere progettata ed elaborata per varie configurazioni hardware, anziché utilizzare una singola configurazione.
1.3 Standard 802.16 Il WiMAX basa la propria operabilità sullo standard IEEE 802.16, il quale è specifico per l’accesso a reti senza fili a banda larga, di tipologia P-MP (pointmultipoint, punto-multipunto). Per garantire l’interoperabilità con gli standard esistenti, il WiMAX Forum ha puntato alla compatibilità con lo standard 802.16, con lo standard europeo HIPERMAN e con il coreano WiBro. Questi ultimi due standard, alternative compatibili al WiMAX, sono descritti rispettivamente nei paragrafi 1.6.2 e 2.5.1. Gli standard inerenti alle reti WiMAX hanno subito diverse modifiche e aggiornamenti nel corso degli ultimi anni. Il primo protocollo, l’IEEE 802.16-2001, definiva le reti metropolitane wireless che utilizzavano frequenze tra i 10 e i 66 GHz. Tra le recenti definizioni dell’IEEE, -7-
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troviamo l’802.16e (che analizzeremo in dettaglio nel paragrafo 2.2), il quale aggiunge allo standard le funzionalità per la mobilità: infatti permette comunicazioni per velocità fino a 122 km/h, utilizzando tecnologia OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e favorendo l’handover, quindi l’utilizzo di dispositivi WiMAX-compatibili su veicoli in movimento. L’802.16f, invece, aggiungerà le specifiche inerenti alla MIB (Management Information Base) per i livelli MAC e fisico. Lo sviluppo dello standard è in continuo aggiornamento. Sono previste nuove definizioni che aggiungono componenti basilari per garantire qualità di servizio ottimale per il WiMAX: l’802.16g aggiungerà procedure e servizi inerenti alla Management Plane; l’802.16m, la cui approvazione è prevista per dicembre 2008, introdurrà l’Advanced Air Interface, che permetterà di raggiungere velocità pari a 100 Mbps in modalità mobile e ben 1 Gbps in modalità fixed.
1.4 MAC Level Il livello MAC dello standard 802.16 esegue le funzioni MAC fornendo al livello fisico un’interfaccia indipendente dal mezzo trasmissivo. Questo livello deve principalmente preoccuparsi di gestire nel miglior modo possibile le risorse destinate al collegamento aereo. Come noto, il livello MAC fornisce i servizi di accesso al mezzo, di frammentazione e di riassemblaggio dei pacchetti, oltre ai servizi di autenticazione ed associazione alla rete. Inoltre, trasporta e collega oggetti a seconda del formato dell'informazione trasmessa. Il MAC level è costituito da 3 sottolivelli: • CS (Convergency Sublayer): Il MAC CS si occupa di accettare protocolli dal livello di rete, ricevuti attraverso il punto di accesso al servizio, per poi elaborarli, classificarli e garantire un'adeguata trasmissione e/o ricezione da/verso i rispettivi CS. • MAC CPS (MAC Common Part Sublayer): questo sottolivello deve garantire l'accesso al sistema, l'allocazione della banda, l'instaurazione e la manutenzione della connessione. • PS (Privacy Sublayer): il sottolivello di privatezza ha il compito di implementare funzioni di autenticazione, di crittografia e di garantire altre policy di sicurezza. Nel WiMAX, il MAC utilizza un algoritmo di scheduling tramite il quale la subscriber station invia la richiesta iniziale. La stazione base allocherà alla richiesta un time slot di dimensione variabile, sempre associato a quella subscriber station. Infine, il MAC level implementa funzioni basilari come: la differenziazione delle qualità del servizio, il controllo degli errori e la convergenza tra applicazioni basate su reti asincrone e reti packet-oriented.
1.5 PHY Level Come già anticipato nel paragrafo 1.3, lo standard iniziale IEEE 802.16 prevedeva un range di frequenze che andavano dai 10 ai 66 GHz. Gli aggiornamenti successivi, come l’802.16a, hanno portato ad una riduzione di questo range ad un intervallo che va da 2 a 11 GHz. -8-
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Inoltre, con le nuove definizioni, sono state aggiunte caratteristiche importanti per il livello fisico: l’802.16e, oltre alle funzionalità per il mobile, ha introdotto l’utilizzo dell’SOFDMA, lo scalable orthogonal frequency division multiple access; le versioni successive hanno incluso nello standard il supporto per antenne multiple mediante l’utilizzo della comunicazione MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Quest’ultima estensione ha portato una serie di benefici per la diffusione della rete WiMAX: migliora il livello di copertura, facilità l’autoistallazione, gestisce in modo più coerente il consumo di potenza da parte degli apparati, garantisce il riuso delle frequenze ed aumenta l’efficienza della banda. La scelta dell’utilizzo della tecnica di modulazione SOFDMA ha apportato un notevole vantaggio ai servizi basati su rete WiMAX dal punto di vista dell’efficienza spettrale, unendo a questa tecnica l’uso di tecnologie smart antenna, registrando valori pari a 3.7 (bit/s)/Hz.
1.6 Confronto con tecnologie analoghe (fixed mode) Il WiMAX non è l’unica tecnologia wireless disponibile sul mercato: essa rappresenta un’innovazione dal punto di vista dei servizi e dell’estensione della connettività, ma altre tecnologie hanno segnato importanti passi avanti per il wireless; molte di queste possono altresì essere complementari al WiMAX, grazie alla compatibilità che il WiMAX stesso si impone come obiettivo. Parliamo del Wi-Fi e di HIPERMAN, due soluzioni wireless per esigenze differenti, che hanno comportato una serie di evoluzioni per la connettività senza fili. In questo paragrafo, analizzeremo le caratteristiche analoghe e differenti di WiFi e HIPERMAN, confrontando queste tecnologie con i relativi aspetti del WiMAX.
1.6.1 Wi-Fi Spesso si fa confusione per via della terminologia simile tra WiMAX e Wi-Fi. In questo paragrafo scioglieremo ogni dubbio, descrivendo le analogie e le differenze tra le due tecnologie. Sono poche le caratteristiche che accomunano WiMAX e Wi-Fi: entrambe le tecnologie esprimono alternative per la connettività senza fili e per questo entrambe fanno riferimento a standard di classe 802 (.16 per il WiMAX, .11 per il WiFi). Le differenze, però, sono molteplici, a cominciare dalla copertura territoriale: il WiMAX è designato ad una copertura territoriale a lungo raggio, nell’ordine di chilometri, tramite frequenze assegnate (ad esempio, 2.5 GHz) o non assegnate (ad esempio, 5 GHz). Fornisce connessioni punto-punto ad Internet tra utenti finali e provider sia in modalità fissa che in modalità mobile. Il Wi-Fi, invece, ha un raggio d’azione nettamente minore, nell’ordine delle centinaia di metri. Utilizza frequenze non assegnate (nell’ordine dei 2 GHz) per garantire connettività ad una rete di piccole dimensioni (ad esempio, un’area dipartimentale o un’azienda). Altra differenza sostanziale è rintracciabile nei meccanismi di garanzia della qualità del servizio. I parametri di qualità del servizio del WiMAX devono garantire la connettività tra base station ed utenti finali su larga scala mediante l’utilizzo di algoritmi di scheduling, mentre la QoS relativa al Wi-Fi è progettata sulla falsa riga della modalità fixed di Ethernet, dando priorità alle trame e quindi -9-
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puntando ad una qualità del servizio dipendente dal rapporto tra trame e flusso di dati. Ulteriore proprietà che distingue il WiMAX dal Wi-Fi è la scalabilità: il primo garantisce grande scalabilità grazie alle proprietà delle base station, che implicano funzionalità complesse di gestione e di handoff (gestione di connessione e disconnessione tra una base station e l’altra). Il secondo si propone, invece, come soluzione indoor, sia per ambienti casalinghi che aziendali, grazie ai costi ridotti e alla semplicità di realizzazione di tali reti.
1.6.2 HIPERMAN HIPERMAN (HIgh PERformance Metropolitan Area Network) è uno standard introdotto dall’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) per garantire la connettività a banda larga su frequenze comprese nel range 2-11 GHz sia per gli stati europei, sia per quegli stati annessi agli standard definiti dall’ETSI. Questo standard nasce per lavorare in maniera ottimale a frequenze inferiori a 11 GHz (specialmente a 3.5 GHz) ed è ottimizzato per reti switched. Può essere utilizzato in modalità fixed e in modalità nomadic ed è destinato ad ambiti residenziali e/o aziendali. HIPERMAN è stato sviluppato di pari passo con lo standard 802.16, tant’è che può operare contemporaneamente ad un sottoinsieme dello standard 802.16a-2003 senza problemi. Offre diverse categorie di servizio, un completo set di classi QoS, garantisce una gestione veloce del controllo di connessione, implementa ottimi livelli di sicurezza, include un veloce adattamento alla codifica, nonché una corretta gestione della potenza di trasmissione e della modulazione, in base alle condizioni di propagazione del segnale. Inoltre, HIPERMAN supporta operazioni nLOS (non-line-ofsight). Questa tecnologia permette l’utilizzo sia di PTMP (Point-to-MultiPoint Protocol) che di configurazioni di rete Mesh. Inoltre, supporta diverse tecniche di allocazione di frequenza – come il TDD (Time Division Duplex) e l’FDD (Frequency Division Duplex) – nonché l’utilizzo di terminali H-FDD. Tutto ciò è possibile grazie ad un piccolo numero di opzioni che semplificano l’implementazione e l’interoperabilità. Le reti che si affidano a questo standard sono completamente compatibili allo standard definito dal WiMAX Forum.
1.6 WiMAX Mobile Come abbiamo più volte affermato nei paragrafi precedenti, il WiMAX fornisce connessione senza fili a banda larga sia in modalità fixed che in modalità mobile. Ripercorreremo quindi le caratteristiche principali del WiMAX in modalità mobile annunciate in questo primo capitolo, descrivendole dettagliatamente nel prossimo. Il cosiddetto WiMAX Mobile è stato introdotto nel 2005 dallo standard IEEE 802.16e-2005. L’approvazione di questo standard ha introdotto nel mondo del WiMAX le seguenti caratteristiche: • l’utilizzo della tecnica di modulazione SOFDMA, Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access; - 10 -
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•
la conseguente scalabilità dell’occupazione dei canali a seconda della disponibilità della banda; • miglioramento della gestione dell’handover; • roaming management; • frequenze utilizzate: 2,3 GHz, 2.5 GHz, 3.3 GHz, 3.5 GHz (assegnate su licenza) e 5.8 GHz (non necessita di licenze); • velocità massima dei terminali in movimento: 122 km/h1 (75,81 miglia orarie). L’avvento del WiMAX Mobile sarà oggetto di discussione della prossima generazione di reti comunicazione, nonché un punto cruciale nella competizione in termini di diffusione e di servizi con altre tecnologie come UMTS e LTE. Analizzeremo questi aspetti nel prossimo capitolo.
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Lo standard 802.16e-2005 prevede il corretto funzionamento del WiMAX a 122 km/h. I nuovi emendamenti in via di sviluppo, come l’802.20, garantiranno la QoS per terminali in movimento alla velocità di circa 350 km/h.
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2. WiMAX e mobilità In questo capitolo affronteremo il problema della mobilità relativo alla tecnologia WiMAX, la quale non ha fornito dal primo standard tale servizio. Descriveremo in prima analisi le specifiche del WiMAX Mobile, raffrontando tale tecnologia con le altre soluzioni mobile presenti. Obiettivo di questo testo è mostrare come questa tecnologia possa essere una valida alternativa alle altre tecnologie presenti sul mercato che offrono servizi mobile a banda larga e che perciò entrano in diretta competizione con il WiMAX.
2.1 Mobilità: problema e necessità Il futuro delle applicazioni e dei servizi passa per la mobilità, ovvero per la possibilità di interconnessione mobile degli utenti, ovunque essi si trovino. Ne è dimostrazione la crescente produzione di applicazioni mobile per sistemi cellulari, la crescente richiesta di prodotti handheld e la vasta disponibilità di nuovi servizi implementati per reti senza fili. Oltre all’evidente comodità tangibile dei sistemi mobile, questi rappresentano anche un’innovazione dal punto di vista dell’interconnessione e del rapporto degli utenti con questi sistemi. Fino alla versione 802.16-2004 (conosciuta col nome di 802.16d), il WiMAX era limitato alle reti fixed. Dallo standard 802.16e ai successivi emendamenti il WiMAX implementa funzionalità mobile, accrescendo di volta in volta le proprie caratteristiche tecniche, migliorando efficienza e qualità del servizio. Ciononostante, attualmente, il mercato dei servizi mobile è governato da due grandi classi: i prodotti 3G, portati avanti dal progetto Long Term Evolution, e i progetti di associazioni come il WiMAX Forum, che prediligono tecnologie come il WiMAX per le soluzioni mobile. Analizziamo, quindi, gli aspetti tecnici del WiMAX Mobile definendone lo standard, descrivendone le componenti più importanti e la compatibilità con sistemi esistenti, per poi confrontare questa tecnologia con i principali competitor sul mercato (UMTS e LTE).
2.2 Standard 802.16e Il WiMAX Mobile si basa sullo standard 802.16e (conosciuto anche col nome di IEEE 802.16e-2005), approvato nell’ottobre del 2005 dall’IEEE. Questo standard introduce caratteristiche inerenti la mobilità, attraverso l’aggiornamento di alcuni aspetti del livello fisico e del livello di controllo d’accesso al mezzo trasmissivo (MAC). A livello fisico, questo standard introduce l’utilizzo dello Scalable OFDMA (che approfondiremo nel paragrafo 2.2.1) per la trasmissione dei dati, fornendo il supporto per larghezze di banda dei canali comprese tra gli 1.25 e i 10 GHz e garantendo la presenza di 2048 sottoportanti. In più, 802.16e-2005 supporta meccanismi di codifica (es. BPSK) e modulazione adattiva; ciò permette di poter lavorare correttamente sia in presenza di una buona - 12 -
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ricezione del segnale, sia in presenza di una ricezione scarsa: nel primo caso, è utilizzato un meccanismo di modulazione adattiva molto efficiente, quale il 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation a 64 punti); nel secondo caso, lo standard implementa una soluzione di codifica molto robusta, ossia il BPSK (Binary PhaseShift Keying). In situazioni intermedie, possono essere adottati sia meccanismi di modulazione attiva come il 16 QAM, sia meccanismi di codifica come il QPSK (Quadrature PhaseShift Keying). Inoltre, il livello fisico dell’802.16e include il supporto per antenne MIMO (multiple-input multiple-output), per poter fornire buone caratteristiche di NLOS (non-line-of-sight) e per poter garantire ottime performance dal punto di vista della correzione degli errori grazie all’HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request). Come già anticipato nel paragrafo 1.4, il livello MAC di questo standard incapsula le caratteristiche dei sottolivelli dei sistemi wired per poter interfacciarli con i sistemi senza fili; descrive tutte le funzionalità inerenti la sicurezza (comunicazione sicura, scambio di chiavi sicuro, crittografia mediante AES o DES); implementa operazioni di risparmio energetico (tramite sleep mode e idle mode) e di handover. Lo standard 802.16e-2005 garantisce il rispetto dei parametri di QoS (quality of service, qualità del servizio) grazie ad una caratteristica basilare della famiglia 802.16: questo standard è connection oriented e ciò permette ad una subscriber station di stabilire una connessione affidabile mediante l’allocazione di un canale nella base station alla quale è associata. Inoltre, per garantire qualità del servizio, queste connessioni vengono divise in 5 diverse classi di QoS, appartenenti allo standard 802.16e-2005: Servizio
Acronimo
Unsolicited Grant Service
UGS
Extended Real-time Polling Service
ertPS
Real-time Polling Service
rtPS
Non-real-time Polling Service
Best Effort
nrtPS
BE
Descrizione Flussi di dati in tempo reale, inclusi pacchetti di grandezza fissa distribuiti in intervalli periodici. Service-flow2 in tempo reale, che generano periodicamente pacchetti di grandezza variabile. Flussi di dati in tempo reale, inclusi pacchetti di grandezza variabile che sono distribuiti in intervalli periodici. Flussi di dati tolleranti al ritardo di trasmissione, compresi pacchetti di dati dalla grandezza variabile per i quali è richiesta una velocità minima di trasmissione Flussi di dati per i quali non è richiesto alcun livello minimo di servizio e possono quindi essere trattati in base allo spazio disponibile.
App. tipiche Trasporto su T1/E1 Voice over IP
Video MPEG
FTP
HTTP
2.2.1 Scalable OFDMA L’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) nasce come versione multi-utente della ben nota tecnica di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), garantendo in più l’accesso multiplo alla banda disponibile. 2
Un service flow è rappresentato dalla connessione tra una subscriber station ed una base station.
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L’accesso multiplo è realizzato mediante l’assegnazione di sottoinsiemi di sottoportanti a singoli utenti. Ciò permette di poter ospitare più utenti su una determinata banda, con una conseguente riduzione della velocità di trasmissione. Tra i vantaggi offerti dall’OFDMA, vi è sicuramente la compatibilità con sistemi MIMO, la scalabilità e la flessibilità d’utilizzo su frequenze diverse.
2.3 ASN Gateway L’evoluzione alla modalità mobile dello standard 802.16, e la possibilità di avere WiMAX Mobile al giorno d’oggi, sono dovuti principalmente all’utilizzo dell’ASN GW (Access Service Network Gateway), apparato che assume un ruolo centrale nella mobilità del WiMAX. L’ASN Gateway è un apparato che risiede nelle infrastrutture dei provider e permette alle ASN di connettersi a molteplici base station. Si interfaccia con gli home agent e con server che ospitano servizi di autenticazione (AAA server) e di configurazione di rete (DHCP). In base all’architettura del WiMAX (vedere Figura 1), l’ASN Gateway si colloca al confine della rete ASN ed è il collegamento alla CSN (Collaborative Service Network). L’implementazione di questi ASN Gateway risulta complessa ma indispensabile se un provider vuole fornire servizi mobile su rete WiMAX: infatti, questo componente deve innanzitutto supportare velocità di trasmissione elevatissime (nell’ordine delle centinaia di Gbps), caratteristica implementabile attraverso la progettazione e lo sviluppo di un NP (Network Processor). Inoltre, un ASN GW deve supportare diversi protocolli basati su standard differenti, oltre a far particolare attenzione alle funzioni inerenti la sicurezza e l’autenticazione.
2.4 Mobile IP Il Mobile IP implementa il meccanismo di roaming in ambito Internet, garantendo scalabilità e, soprattutto, efficienza. Grazie a questo nuovo protocollo, gli utenti possono cambiare il proprio punto di connessione alla rete senza dover cambiare il proprio indirizzo IP. Questa caratteristica ha il merito di permettere connessioni ad alto livello e trasporto affidabile anche in situazioni di movimento. La mobilità è implementata senza il bisogno di dover ricorrere a particolari procedure di instradamento sulla rete. Il Mobile IP si propone per reti wired e wireless, laddove gli utenti necessitano di dover spostare i propri dispositivi portatili tra diverse reti locali che figurano con indirizzi IP differenti. Oltre il WiMAX, il Mobile IP trova collocazione anche in ambienti come WLAN e BWA. Descriveremo ora il MobileIP basilare (MIPv4) e la sua evoluzione in Mobile IPv6 (MIPv6).
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2.4.1 MIPv4 Un nodo mobile può avere una coppia di indirizzi: un indirizzo permanente e un indirizzo care-of, associato alla rete che il nodo mobile sta visitando. Le entità presenti all’interno del protocollo Mobile IP sono essenzialmente due: un home agent, che memorizza informazioni relative ai nodi mobili, per ognuno dei quali l’indirizzo permanente è all’interno della rete dell’home agent stesso; un foreign agent, che memorizza informazioni inerenti i nodi mobili che stanno visitando la sua rete e imposta gli indirizzi care-of. Un soggetto che vuole comunicare con un nodo mobile usa l’indirizzo permanente di quest’ultimo per inviare i pacchetti. Questi pacchetti sono intercettati dall’home agent il quale, mediante una tabella, invia i dati all’indirizzo care-of del nodo mobile con un nuovo IP header, conservando tutta via l’IP header originale. Quando questi dati vengono estratti e quindi privati del nuovo IP header vengono inviati al nodo mobile di destinazione, così come erano stati inviati. Un nodo mobile che invia dati ad un altro nodo mobile non fa altro che comunicare con quest’ultimo attraverso il foreign agent. Delineiamo quindi le funzionalità definite dal protocollo Mobile IP: • una procedura di registrazione autenticata attraverso la quale il nodo mobile informa il proprio (o i propri) home agent del proprio indirizzo (o dei propri indirizzi) care-of; • un’estensione all’ICMP Routing Discovery, che permette al nodo mobile di scoprire i prossimi home e foreign agent; • le regole di instradamento dei pacchetti da e verso i nodi mobili, compresi un meccanismo di tunneling obbligatorio (per la comunicazione degli indirizzi care-of) ed una serie di meccanismi di tunneling opzionali.
2.4.2 MIPv6 Questa versione di Mobile IP è basata su reti IPv6, con l’aggiunta delle funzioni di mobilità che il Mobile IP garantisce. La caratteristica principale del MIPv6, nonché il miglior beneficio che se ne trae dal suo utilizzo, è la possibilità di mantenere le connessioni attive nonostante un dispositivo mobile cambi posizione e/o indirizzo. Fondamentalmente, il MIPv6 non è differente dal MIPv4 se non per il fatto di apportare i miglioramenti e le modifiche che intercorrono tra IPv4 e IPv6.
2.5 Compatibilità con sistemi esistenti Come abbiamo già dichiarato in questo testo, l’obiettivo dichiarato del WiMAX Forum è l’interoperabilità tra il WiMAX e i sistemi wireless broadband a largo raggio esistenti. Obiettivo raggiunto, proprio in questi anni, con due standard affermati come l’europeo HIPERMAN (già descritto al paragrafo 1.6.2) e il coreano WiBRO. Due standard di natura simile che operano per garantire copertura wireless a banda larga su larga scala, standardizzati in tempi precedenti rispetto al WiMAX. Di questi, solo il WiBRO concede la possibilità di implementare servizi mobile, mentre HIPERMAN è destinato ad applicazioni fixed e/o nomadic.
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WiMAX e mobilità
In questo paragrafo descriveremo le caratteristiche tecniche di WiBRO e vedremo come il WiMAX è riuscito a garantire l’interoperabilità con questa tecnologia d’origine coreana.
2.5.1 WiBRO WiBRO, acronimo di Wireless BROadband, è una tecnologia wireless per Internet a banda larga sviluppata dalle aziende di telecomunicazione coreane e che matcha perfettamente con lo standard internazionale IEEE 802.16e-2005. Questo standard adotta TDD per la duplazione, OFDMA per l’accesso multiplo e una frequenza di banda pari a 8.25 MHz per canale. WiBRO è stato ideato per superare le limitazioni delle velocità alle quali erano legati i telefonini e per aggiungere la componente mobilità all’accesso broadband ad Internet. Introdotto nel 2002, è divenuto conforme allo standard 802.16e nel 2005. Un anno più tardi, aziende di telecomunicazione coreane come KT e SKT hanno dato il via alle prime attività commerciali. Le stazioni base di WiBRO consentono un throughput di dati che oscilla tra i 30 e i 50 Mbit/s, irradiando zone per un raggio compreso tra 1 e 5 chilometri. Fornisce le funzioni di mobilità per dispositivi in movimento per velocità che vanno dai 120 km/h (per dispositivi come notebook) ai 250 km/h (es. telefoni cellulari), anche se test recenti dimostrano che queste misure andrebbero leggermente ridimensionate. WiBRO garantisce la qualità del servizio, fattore che gli permette di poter ospitare operazioni di streaming video ed altre applicazioni loss-sensitive simili. L’unica vera differenza tra WiMAX e WiBRO è nell’assegnazione del range di frequenze: se per WiBRO questo range è definito dallo standard ed è implementato anche negli apparati, per il WiMAX il compito dell’assegnazione del range di frequenze viene lasciato ai singoli provider, in modo da poter garantire la solita interoperabilità dei vari sistemi.
2.6 3G/4G: principali concorrenti del WiMAX Il WiMAX è entrato a far parte della sfera mobile soltanto dal 2005, anno in cui venne approvato lo standard 802.16e. Nel frattempo, si sono diffuse altre tecnologie che hanno garantito una mobilità sempre più stabile e, soprattutto, veloce. Con la diffusione della rete globale e la costante richiesta d’accesso, tecnologie come l’UMTS hanno dato il via libera alla connessione broadband ad Internet anche attraverso dispositivi mobili, con velocità di trasmissione elevate, rispetto a velocità di movimento dei terminali altrettanto eccellenti. In questo paragrafo, descriveremo tutte quelle tecnologie che concorrono al WiMAX nel mercato mobile, iniziando dall’attuale UMTS e procedendo nella descrizione delle future tecnologie che, come già accade negli Stati Uniti, entreranno in dura competizione con gli standard WiMAX.
2.6.1 UMTS La prima tecnologia, che ha garantito un accesso broadband alla rete globale con velocità efficienti, è stata sicuramente l’UMTS, ossia l’Universal Mobile - 16 -
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Telecommunication System. L’UMTS è nato basandosi sullo standard W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), che sta conoscendo, in questi anni, evoluzioni verso standard più efficaci come l’HSPA (High Speed Packet Access). Il transfer rate teorico dell’UMTS è di 1920 kbps, permettendo l’utilizzo di tale tecnologia per servizi come voce, videoconferenze e trasferimento di dati packet-based. Ad ognuno di questi servizi sono stati assegnati transfer rate differenti, per garantire la qualità di servizio di ognuna di loro. È stato comunque verificato che, in mobilità, l’UMTS riduce notevolmente le proprie prestazioni, non superando quota 300 kbps (comunque di gran lunga superiori alle velocità del vecchio GSM). L’UMTS è la combinazione di tre interfacce trasmissive, che danno vantaggi anche sotto il punto di vista della scalabilità: • W-CDMA (Wireless Code Division Multiple Access), un'interfaccia a banda larga e spettro espanso basata sulla tecnologia di accesso multiplo a divisione di codice, grazie alla quale possono essere raggiunte velocità elevate e possono essere gestite un grande numero di utenze; • MAP (Mobile Application Part), ereditato dal GSM, che ha il compito di fornire diverse funzionalità ai dispositivi mobili; • i codec del GSM, utilizzati per la codifica/decodifica delle trasmissioni. Le future versioni dell’UMTS vedranno incrementare i transfer rate correnti grazie all’utilizzo di tecniche trasmissive come l’HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), che permetterà di raggiungere velocità teoriche di 100 Mbps.
2.6.2 Long Term Evolution (LTE) Parlando di comunicazioni di terza generazione (3G), è impossibile non descrivere l’ambizioso progetto del Third Generation Partnership Project (3GPP): il Long Term Evolution (LTE). L’LTE è una tecnologia di transizione dal 3G al 4G, infatti spesso viene chiamata Super 3G o Pre-4G. È parte integrante dell’UMTS, poiché ne rappresenta un’evoluzione dal punto di vista delle prestazioni e delle caratteristiche tecniche. Infatti, l’LTE offre diverse innovazioni: garantisce velocità – teoriche – di upload e download rispettivamente di 50 e di 100 Mbps ed incrementa l’efficienza spettrale rispetto a quella garantita dall’HSPA (UMTS). Altro vantaggio introdotto dalle caratteristiche tecniche di questa tecnologia è l’interfaccia utilizzata per la trasmissione: trattasi dell’E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access, detto anche HSOPA), il quale utilizza due diverse tecniche di modulazione del segnale per downlink ed uplink (rispettivamente OFDM e SC-FDMA, Single Carrier Frequency Division Multiple Access). LTE, divenuto standard all’inizio del 2008, necessita di una copertura radio dedicata: ciò implica che LTE richiede la costruzione di un’ulteriore rete. Obiettivo parallelo allo sviluppo di questa tecnologia è la realizzazione di una All IP Network (AIPN), una rete capace di ospitare tutti gli standard, da LTE a WiMAX a UMB (Ultra Mobile Broadband), riducendo sia la complessità della rete, sia i costi di realizzazione. L’operatività definitiva per l’LTE è prevista per il terzo quadrimestre del 2009.
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3. Il WiMAX in Italia Non poche polemiche sono sorte attorno alla diffusione della tecnologia WiMAX nel nostro paese. Ciononostante, il 28 febbraio del 2008 sono stati assegnati i 35 diritti d’uso delle frequenze a un gruppo ristretto di provider, tra i quali compare anche Telecom Italia. L’assegnazione, avvenuta tramite un’asta tenuta dall’allora Ministero delle Comunicazioni, ha portato ad un incasso finale di ben 136.337.000 euro, aumentando del 176% il valore della base d’asta. Tra le telcos coinvolte in quest’asta, oltre a TI, troviamo: AriaDSL, E-Via (gruppo Retelit) e AFT (gruppo Linkem). La banda per la quale queste quattro aziende si sono battute è compresa tra i 3.4 e i 3.6 GHz. I diritti d’uso di tali frequenze sono stati divisi in 3 blocchi: blocco A e blocco B, riguardanti l’estensione macroregionale dei 7 lotti presenti; il blocco C rappresenta i 21 lotti regionali, eccezion fatta per le province autonome di Trento e Bolzano, per le quali è prevista una suddivisione provinciale. Queste licenze perdureranno 15 anni: saranno rinnovabili e non cedibili a terze parti, a meno di una previa autorizzazione ministeriale. Vediamo nel dettaglio la corrispondenza tra lotti ed aziende assegnate, regione per regione, blocco per blocco. BLOCCO “A” Macroregione Area 1
Azienda AriaDSL
(Lombardia, Bolzano, Trento)
Area 2
AriaDSL
(Valle D’Aosta, Piemonte, Liguria, Toscana)
Area 3
AriaDSL
(Friuli, Emilia Romagna, Veneto, Marche)
Area 4
AriaDSL
(Umbria, Lazio, Abruzzo, Molise)
Area 5
AriaDSL
(Campania, Puglia, Basilicata, Calabria)
Area 6
A.F.T.
(Sicilia)
Area 7
AriaDSL
(Sardegna)
BLOCCO “B” Macroregione Area 1
Azienda E-Via
(Lombardia, Bolzano, Trento)
Area 2
E-Via
(Valle D’Aosta, Piemonte,
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WiMAX e mobilità
Liguria, Toscana)
Area 3
E-Via
(Friuli, Emilia Romagna, Veneto, Marche)
Area 4
Telecom Italia
(Umbria, Lazio, Abruzzo, Molise)
Area 5 (Campania, Puglia, Basilicata, Calabria)
Telecom Italia
Area 6
Tourist Ferry Boat-TemixMedianet Comunicazioni
(Sicilia)
Area 7
Telecom Italia
(Sardegna)
BLOCCO “C” Regione/provincia Lombardia Bolzano Trento Valle D’Aosta Piemonte Liguria Toscana Friuli Venezia Giulia Veneto Emilia Romagna Marche Umbria Abruzzo Molise Campania Puglia Basilicata Calabria Sicilia Sardegna
Azienda A.F.T. Brennercom MGM Productions Ribes Informatica A.F.T. MGM Productions MGM Productions Assomax A.F.T. Infracom City Carrier A.F.T. A.F.T. A.F.T. A.F.T. A.F.T. A.F.T. A.F.T. AriaDSL A.F.T.
Nella pagina successiva, una serie di illustrazioni che raffigurano geograficamente la divisione dei diritti d’uso italiani (fonte: Ministero delle Comunicazioni).
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WiMAX e mobilitĂ
Figura 2 Divisione macroregionale del Blocco A
Figura 3 Divisione macroregionale del Blocco B
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WiMAX e mobilitĂ
Figura 4 Divisione regionale (e provinciale) del Blocco C
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4. Conclusioni Abbiamo esaminato in dettaglio le caratteristiche e le conseguenti potenzialità del WiMAX, sia in modalità fixed che in modalità mobile. Nella prima ipotesi, il WiMAX è una validissima alternativa wireless per l’accesso broadband alla rete globale, nonché un’ottima soluzione per ridurre quel digital divide che, nel nostro paese, lascia un abisso tra le metropoli e le realtà rurali. Nello scenario mobile, questa tecnologia deve innanzitutto battersi con dei competitori all’altezza, come UMTS e LTE, i quali hanno la strada spianata grazie alle infrastrutture già presenti sul suolo nazionale. Allargando la visuale all’estero, però, ci si accorge ben presto di un dettaglio: il WiMAX non è visto solo come fonte alternativa di connettività, ma soprattutto è interpretato come fondamenta per un nuovo mercato, nel quale investire, sviluppare e creare nuove applicazioni. Saranno proprio gli investimenti dei competitor a fare la differenza, dal punto di vista dell’espansione del WiMAX, specialmente per le soluzioni mobile: tanto alto sarà l’impiego di capitali in questo campo, tanto numerosi saranno i vantaggi che il mercato delle telecomunicazioni potrà trarne. Analizzando i costi, esaminando le relative performance e confrontandole con quelle espresse da tecnologie affini, viene spontaneo chiedersi se investimenti fatti in questa direzione possano portare ad un cambiamento, se non un miglioramento, della connettività attuale. Per quanto concerne l’Italia, il primo passo è stato fatto nel febbraio 2008: ora sarà compito dei task group impegnati nello sviluppo e nel miglioramento del WiMAX far sì che questa tecnologia sia quanto meno competitiva ed efficiente, nonché un’alternativa economica, soprattutto nel settore mobile. Senza dimenticare il ruolo – ahimé, dominante – che giocano le aziende che investiranno nel WiMAX.
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