La telefonia di quarta generazione

 

Paola di Giacomo

Centro Interdipartimentale di Ricerca per l'Analisi dei Modelli e dell'Informazione nei Sistemi Biomedici,

Universita' "La Sapienza" di Roma

Corso Vittorio Emanuele 244 Äì 00186 Roma

Paola.Digiacomo@uniroma1.it

 

 

  

   In Italia la terza generazione non e' ancora approdata nei primi mesi del 2003 si potranno apprezzare i primi tentativi ma una diffusione completa non avverra' prima di qualche anno. In Giappone, invece, dove la terza generazione e' ormai una realta' consolidata, si guarda gia' oltre per immaginare il futuro sviluppo del settore. Ntt Docomo, il primo provider di telefonia cellulare in Giappone, dichiara di avere ottenuto interessanti risultati dalle prime sperimentazioni di una ipotetica rete di telefonia di quarta generazione (4G), che permettera' di gestire il traffico dati ad una velocita' di 100 mb/s in downstream (in ricezione per l'utente) e 20 mb/s in upstream (invio dati). Naturalmente i tempi saranno di almeno 10 anni, ma se si vuole fare un parallelo temporale, e' come, quando nel 1992, si discuteva animatamente sulla 3G. In Europa, gli operatori che hanno investito ingenti risorse nell'UMTS mostrano evidenti (e giustificati) segnali di nervosismo e d'incertezza sul futuro di questa tecnologia, minacciata anche dalla diffusione delle reti wireless Wi-Fi e da WCDMA, uno standard capace di potenziare l'esistente GSM (sara' proprio questa l'avventura europea e non solo della 4G, come hanno gia' dichiarato la Ericsson Tlc e la Nokia).

In due annunci separati, i due colossi del mondo della telefonia mobile hanno parlato del prossimo arrivo sul mercato di cellulari che potranno sfruttare la "Wideband CDMA" (W-CDMA) per ottenere connessioni velocissime, mediante la moltiplicazione delle possibilita' delle attuali infrastrutture GSM. Questo accade perche' il W-CDMA da un lato aumenta le capacita' voce e di trasmissione dati ma dall'altro, soprattutto, gestisce in modo innovativo le applicazioni multimediali, trasformando quindi anche una rete GSM in un veicolo possibile per una quantita' di applicazioni a valore aggiunto.  Secondo la Nokia, il W-CDMA consente piu' di qualunque altra tecnologia di transitare dalle reti GSM a reti capaci di essere nuovi strumenti di connettivita' wireless. E l'azienda ci crede al punto che ha gia' presentato il primo telefonino GSM W-CDMA basato su quello che definisce "3GPP (Third Generation Partnership Project)". Nokia conta gia' entro quest'anno di avviare i primi test con gli operatori e prevede per il 2003 il lancio commerciale del servizio e la diffusione dei suoi nuovi cellulari. Da parte sua, Ericsson ha annunciato di aver compiuto la prima telefonata W-CDMA sfruttando, appunto, la rete GSM.

 

Sul mercato nipponico il 4G sara' introdotto a partire dal 2010 con un incredibile salto di qualita' rispetto al 2G ed al 3G, dovuto a velocita' al momento impensabili per gli attuali dispositivi cellulari, paragonabili a quelle delle tradizionali reti locali via cavo. Gli esperti sembrano essere d'accordo su alcuni aspetti imprescindibili, come la piena integrazione del sistema GPS e l'introduzione di nuovi servizi con contenuti multimediali hi-standard. Probabilmente il passaggio alla 4G sara' meno traumatico del previsto, anche perche' la piattaforma 3G e' senza dubbio il vero salto di qualita', con aspettative di performance di 2mbps gia' superate dai reali 5/7 mbps. Spingere il tutto verso i 50 mbps in almeno 10 anni sara' piuttosto realistico vista l'attuale evoluzione tecnologica. Secondo Phil Redman, direttore della Gartner research, il mercato in questo momento, e sempre di piu' nel prossimo futuro, chiede semplicemente una maggiore copertura dei network, prezzi piu' bassi e velocita' di trasferimento dati maggiori. Per quanto riguarda le nuove applicazioni, saranno le singole aree del mondo a richiedere sviluppi diversi; non e' detto che tutti i servizi possano sfondare in culture tecnologiche diverse. Comunque, sembra che una regola del "gioco" sia stata pienamente acquisita: i produttori di hardware e i provider dovranno trovare un accordo per gli standard ben prima dell'implementazione finale.

Fino ad oggi lo sviluppo della tecnologia radiomobile e' avvenuto per cicli ("generazioni" nel contesto specifico) e ciascun ciclo ha manifestato periodicita' pressappoco decennale. Puo' apparire poco realistico, quindi, occuparsi di temi di ricerca a lungo termine, mentre si assiste sul mercato ad una vera e propria crisi del settore delle comunicazioni radiomobili e si avverte la perplessita' riguardo il successo che incontrera' la terza generazione (l'Umts). Tuttavia la complessita' dei processi da promuovere, dagli sviluppi di nuove tecnologie alle esigenze di standardizzazione, rende necessario affrontare il problema dell'individuazione dei requisiti della futura generazione fin dall'avvento della generazione precedente.

Nel decennio 2001-2010, in cui la quarta generazione vedra' la luce, l'ampio spettro di sviluppo nel settore delle telecomunicazioni generera' molti nuovi sistemi e applicazioni e la loro rapida diffusione sara' favorita dalla progressiva riduzione dei costi e dalla parallela crescita della domanda. Le comunicazioni radiomobili libereranno le attivita' umane dai vincoli spazio-temporali, permettendo agli individui di svolgere ovunque le loro attivita' lavorative e di svago. Le comunicazioni cellulari eserciteranno inoltre una grande forza di attrazione nei confronti di tecnologie adiacenti, mentre grande attenzione sara' posta alla caratterizzazione degli scenari futuri mettendo al centro dell'attenzione l'utente, con i suoi bisogni e i suoi requisiti.

Lo spettro radio diverra' ben presto una delle risorse naturali piu' preziose e percio' sara' necessario un sistema di accesso semplice, economico e flessibile. Da un lato, quindi, avanzeranno tecnologie capaci di operare con la massima flessibilita', specialmente nell'accesso, e dall'altro saranno introdotti standard molto piu' "aperti" di quelli attuali nel precisare le caratteristiche di interfaccia tra sottosistemi e virtualmente privi di requisiti per le architetture di rete. Con il concetto di standard aperto si intende un insieme di regole tali da consentire che funzioni e parametri siano "scalabili", ossia capaci di operare in modo dinamicamente ottimizzato in qualunque ambiente, con qualsiasi terminale, in combinazione con reti fisse eterogenee e con le future versioni del protocollo Ip.

Pertanto, flessibilita', scalabilita', riconfigurabilita' e interoperabilita' rappresenteranno la caratteristica chiave di questa interfaccia radio aperta e universale, che si potra' adattare a qualsiasi servizio, attuale e futuro.

Parlando di quarta generazione, e' interessante introdurre due concetti innovativi che permetteranno lo sviluppo della nuova tecnologia cellulare: l'intelligenza d'ambiente e la telepresenza immersiva.

Il concetto di ambient intelligence (AmI), introdotto dalla Commissione europea, fornisce una visione della societa' dell'informazione che enfatizza il maggiore e piu' efficiente supporto di servizi e il potenziamento delle capacita' d'utente. Le persone sono circondate da interfacce intuitive e intelligenti, inserite in ogni tipo di oggetti, e l'ambiente e' capace di riconoscere e rispondere alla presenza di diversi individui con continuita', in modo non invadente e spesso invisibile. Anche negli Usa, presso il Mit (Massachusetts institute of tecnology) e' perseguito un approccio simile a quello della AmI, ad esempio nel progetto Oxygen: secondo tale visione, la comunicazione e la potenza di calcolo dei computer sono proprieta' distribuite nell'ambiente, proprio come l'ossigeno nell'aria. Gli studi del Mit, inoltre, ipotizzano che nel futuro la potenza di calcolo sara' liberamente disponibile ovunque e non sara' necessario trasportare dispositivi personali, di calcolo e di comunicazione, perche' dispositivi portatili o distribuiti nell'ambiente metteranno a disposizione tali funzionalita', indipendentemente dal luogo e dalle circostanze. Questi dispositivi si personalizzeranno in nostra presenza procurandosi le informazioni e il software necessari e le interfacce saranno naturali, di tipo sia audio che video.

Per quanto riguarda le tecnologie della telepresenza immersiva, bisogna anzitutto richiamare il concetto di multimedialita', che e' piuttosto ampio, includendo rappresentazione visiva, suoni e, piu' in generale, esperienze di tipo "sensoriale": uno degli attributi chiave del multimediale e', infatti, l'"immersione". Altri due attributi riconosciuti al multimediale sono l'interdisciplinarieta' e la realizzazione di ipercollegamenti. Da questo punto di vista, l'attuale tecnologia e' ancora molto lontana dal raggiungimento di effettive esperienze multimediali, intese nel senso di disponibilita' integrata di segnali uditivi, visivi, olfattivi e immediatamente percettivi (in inglese "touch and feel"). Piu' precisamente, per telepresenza immersiva (o immersipresenza) si intende la rielaborazione di filmati di eventi reali trasformati in scene digitali che gli utenti remoti possono vedere interattivamente da ogni prospettiva desiderata. In questo contesto prende il nome di avatar una rappresentazione umana in tre dimensioni straordinariamente realistica. Un ambiente virtuale, invece, e' una creazione completamente artificiale, concepita per essere percepita come se fosse reale.

L'importanza di questi studi e' fondamentale per lo sviluppo della telefonia di quarta generazione, che sara' caratterizzata principalmente dall'introduzione della realta' virtuale, resa possibile dall'uso di tecnologie stroboscopiche e olografiche. Sicuramente, per lo sviluppo di questi nuovi servizi il solo telefono cellulare non sara' piu' sufficiente e dovra' invece essere integrato da altri terminali, come un paio di occhiali elettronici che potranno essere usati come schermo su cui proiettare le informazioni richieste, permettendo, inoltre, di superare il problema delle dimensioni scomode dei caschi usati per la realta' virtuale. Sara' quindi possibile richiedere la classifica delle canzoni piu' ascoltate, proposta da un presentatore virtuale che vedremo proiettato davanti a noi, oppure essere guidati da un avatar nella visita di un museo.

Tutto questo non e' fantascienza, e' il futuro, e alcuni degli effetti dello sviluppo di queste nuove tecnologie sono ormai sotto gli occhi di tutti: abbiamo la possibilita' di condividere interessi o relazioni economiche a livello globale e in tempo reale, l'informatica e le telecomunicazioni permettono di ridurre le dimensioni minime che un'azienda deve avere per svolgere le proprie attivita', perche' e' meno costoso appaltare il lavoro a specialisti esterni. In altre parole, stiamo assistendo all'abbattimento dei concetti di localizzazione delle funzioni, di materializzazione delle merci, di sincronizzazione delle attivita' e di intermediazione nei servizi. Dove ci portera' tutto questo, pero', dipende solo dall'uso che noi sapremo fare di questa tecnologia.

Cerchiamo ora di capire quali sono le tecnologie e gli standard attraverso i quali sara' possibile il passaggio alla 4G.

Tecnologie

 

La tecnologia WI-FI

In un sistema wireless, la trasmissione avviene principalmente via radiofrequenza (RF), nella banda ISM (Industrial Scientific Medical) attorno ai 2,45 Ghz utilizzando tecniche spread spectrum per ottenere una maggior robustezza nei confronti dei segnali interferenti, o via infrarosso (IR).

Nel 1997 nasceva il primo standard  di riferimento l' IEEE 802.11  ( IEEE Institute of Elettrical and Electronics Engineers)che dettava le specifiche a livello fisico e datalink per l'implementazione di una rete LAN wireless.

Tale standard consentiva un data rate di 1 o 2 Mbps usando la tecnologia basata su onde radio nella banda 2.4 GHz o su raggi infrarossi. La limitata velocita' ne determino' uno scarso successo e diffusione. L'evoluzione di tale tecnologia diversi anni dopo ,1997, porto' alla sua evoluzione IEEE 802.11b ( denominato anche Wi-Fi, Wireless Fidelity o ) consentendo  una trasmissione dai 5.5 ai 11 Mbit/s oltre a mantenere la compatibilita' con lo standard precedente.

ll Wi-fi e' un protocollo di trasmissione wireless per il supporto di reti ad " alta velocita'", che garantisce l'interoperabilita' tra soluzioni wireless diverse. Il protocollo IEEE 802.11b consente:

• di poter variare la velocita' di trasmissione dati  per adattarsi al canale
• un data rate fino a 11 Mbps
• la possibilita' di scelta automatica della banda di trasmissione meno occupata
• la possibilita' di scelta automatica dell'access point in funzione della potenza del segnale e del traffico di rete
• di creare un numero arbitrario di celle parzialmente sovrapposte permettendo il roaming in modo del tutto trasparente.

IEEE 802.11 e' uno standard che definisce un insieme di specifiche per il livello fisico (Phisical Layer) e per il livello MAC (Medium Access Control) per la realizzazione di Wireless LAN (WLAN). Una rete locale wired ( Lan IEEE 802.3) e' fissa, non e' mobile ne si puo' trasportare e necessita di un cablaggio. Utilizzando dispositivi wireless questi ostacoli possono essere superati.

Una wireless local area network ,WLan, e' un sistema di comunicazione flessibile e implementabile nella sua estensione , o alternativo, ad una rete fissa (wired Lan). Una rete wireless puo' essere un'estensione di una normale rete cablata, supportando tramite un acces point, la connessione a dispositivi mobili e a dispositivi fissi (pc). In generale le architetture per sistemi wireless sono basate due tipologie di dispositivi:

¬Σ       Access Point ( Ap)

¬Σ       Wireless Terminal (WT).

Gli access point  sono bridge che collegano la sottorete wireless con quella cablata,  mentre i wireless terminal sono dei dispostivi  che usufruiscono dei servizi di rete. Gli AP possono essere implementati in hardware (esistono dei dispositivi dedicati) che in software appoggiandosi per esempio ad un pc, o notebook dotato sia dell'interfaccia wireless sia di una scheda ethernet. 

I WT possono essere qualsiasi tipo di dispositivo come per esempio notebbok, palmari, pda, cellulari, o apparecchiature che interfacciano standard IEEE 802.11, o sistemi consumer su tecnologia Bluetooth.

Volendo garantire una connettivita' il piu' possibile distribuita tra ambienti di una stessa sede, si sfrutta una tipologia Client Server. Questo modo consente a piu' dispositivi di rete di appoggiarsi ad un Access Point che agisca da ponte tra loro e la rete wired, quindi una rete comune con maggiori possibilita' di collegamenti sia wireless che wired, in una struttura stabile, impiegando gli AP ( access point).

Nel workgroup, gli utenti possono stabilire una connessione di trasferimento dati o di accesso ai dati in modalita' peer to peer. In tale configurazione piu' unita' WT (wireless terminal) possono comunicare tra loro direttamente realizzando una piccola rete paritetica, generalmente impiegata quando si necessita di una piccola rete per breve tempo, riunioni, convegni, stand, dimostrazioni.

IEEE 802.11 usa come protocollo MAC il CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), che utilizza un algoritmo specifico per evitare collisioni, implementando un meccanismo di ascolto virtuale del traffico sulla portante. L' AP (access point) assegna una priorita' ad ogni client, in modo da rendere piu' efficiente la trasmissione dei pacchetti.

Lo standard IEEE 802.11b supporta un meccanismo per criptare il traffico dati e autenticare i nodi di connessione col nome di WEP (Wired Equivalent Privacy, sistema di encryption basato su una chiave condivisa ai fini della sicurezza contro le intercettazioni, crittografia). La secret key (chiave segreta) lunga 40 bit e' concatenata a un vettore di inizializzazione (IV) lungo 24 bit; si ottiene cos√" una sequenza di 64 bit totali. Nell'immediato futuro si prevede un algoritmo di crittografia WEP a 128 bit, dove si ha una chiave a 104 bit con un vettore di inizializzazione a 24 bit e, in previsione di crescenti requisiti di robustezza e affidabilita', garantendo una maggior sicurezza e affidabilita'.

Lo standard IEEE 802.11 consente due possibili interfaccie RF, della categoria SSS, nella banda dei 2,4 Mhz, realizzate con due tecniche di modulazione distinte:

- FHSS, dispersione di spettro a salto di frequenza

- DSSS, dispersione di spettro in banda base.

 

Altri standard per le tecnologie Wireless

DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), standard digitale criptato  per telefonini cordless con possibilita' di 120 canali su 12 frequenze, evoluzione del cordless analogico, implementa l'interfaccia Gap (Generic Access Profile) ed utilizza la modulazione GMSK, bit rate max 348 Kbps.

IrDA (Infrared Device Application), tecnologia di interconnessione dati tramite infrarossi bidirezionale point-to-point tra dispositivi posizionati in visibilita' reciproca  LoS, line of sight, con range ridotto a 1 - 2 metri e bit rate di 4 Mbps. 

HomeRF, standard per la trasmissione dati in radio frequenza di  dispositivi domestici, con  una frequenza di 2,4 Ghz e un bit rate pari a 1,6 Mbps, utilizza il protocollo Swap. La sua evoluzione 2.0 consentira' un bit rate fino a 10 Mbps e la trasmissione dati/voce con un range di 50 metri, in modalita' peer-to-peer o access point.

Bluetooth , tecnologia di interconnessione wireless low-power (mWatt), in grado di far "comunicare" dispositivi elettronici come i telefoni, stereo, notebook,computer, pda fino ad un massimo di 16 dispositivi, attraverso onde radio a basso raggio emesse da alcuni trasmettitori presenti all'interno di questi dispositivi. Il tutto senza bisogno di alcun cavo di collegamento, ma semplicemente utilizzando le onde radio con frequenza di 2,45Ghz - 2,56 Ghz ( banda ISM). puo' supportare fino a 7canali dati (asincrono con data rate di 57,6Kbps in upstream e 721Kbps in downstream) e 3 canali voce (sincroni con data rate di 64 kbps).La velocita' massima di trasferimento dati, nel suo complesso, e' pari a 1Mbps fullduplex con una copertura dai 10 ai 100 metri.

HyperLan2, standard per comunicazione wireless Wlan che, utilizza una frequenza di 5 Ghz con bit rate sino a 54 Mbps, consente un range fino a 100 metri, per applicazioni multimediali di tipo home.

Fixed Wireless, soluzione tecnologica via radio che fornisce servizi di base voce/dati  con copertura ad ampio raggio fino a 25 Km, la trasmissione utilizza una frequenza bassa compresa da 400 Khz a 2Mhz, con un bit rate max di 128 Kbps.

Wipll Wireless Ip local loop, tecnologica via radio che fornisce servizi di base voce/dati  con copertura ad ampio raggio, utilizza una frequenza  da 2Ghz a 5Ghz con un bit rate di 4 Mbps.

 

 

Voice XML

 

Voice XML

Negli Stati Uniti, accanto ai portali tradizionali, sta prendendo piede (e forma) un nuovo tipo di servizio voice-enabled: i portali vocali. Alla struttura classica del portale, si affianca, cioe', un nuovo modo di interagire: attraverso un qualsiasi telefono. È il caso, ad esempio, di HeyAnita (http://www.heyanita.com/) o di TellMe (http://www.tellme.com/), raggiungibili, negli USA, anche tramite una apposita numerazione (gratuita, per di piu'): questi siti, offrono servizi specifici (quotazioni borsistiche, previsioni meteo e altro ancora) dietro richiesta vocale.

Tutto questo, grazie ad una nuova tecnologia, in fase di standardizzazione da parte del W3C, denominata VoiceXML (Voice eXtensible Markup Language), promossa da AT&T, IBM, Lucent e Motorola, che - tra le specifiche - permette, appunto, l'accesso ai servizi e alle informazioni presenti in Internet tramite semplici comandi vocali impartiti via telefono. Piu' precisamente, il portale deve essere dotato di:

¬Σ       un apposito server vocale, in grado di interagire con i comandi impartiti dall'utente via voce;

¬Σ       un server web, all'interno del quale risiedono le informazioni: quest'ultime non devono essere, necessariamente, in un formato particolare, bens√" in un qualsiasi formato web-standard, come il semplice HTML.

Nel breve listato riportato di seguito, e' definito un insieme di regole che consentono di formulare - da parte del computer - la domanda "Cosa vuoi mangiare? Pizza, spaghetti o altro?" e attendere una risposta. L'utente, dal canto suo, dovra' rispondere con uno dei tre termini richiesti "Pizza", Spaghetti" o "altro", pena sentirsi ripetere nuovamente la domanda. La risposta corretta portera' a "processare" la pagina http://www.mioportale.com/mangiare/mangiare1.asp che conterra' le informazioni da passare all'utente.

 

<?xml version="1.0"?>

<vxml version="1.0">

  <form>

  <field name="mangiare">

     <prompt>Cosa vuoi mangiare? Pizza, spaghetti o altro?</prompt>

     <grammar src="mangiare.gram" type="application/x-jsgf"/>

  </field>

  <block>

     <submit next="http://www.mioportale.com/mangiare/mangiare1.asp"/>

  </block>

 </form>

</vxml>

 

Gli sviluppi di questa nuova tecnologia sono ancora incerti e legati, chiaramente, al fattore economico, inteso come ritorno in termini di visibilita' e di accessi (non dobbiamo dimenticare che i proventi di molti portali attuali, derivano dai banner pubblicitari, chiaramente non visibili tramite una conversazione telefonica), ma anche umano. Nonostante questo, VoiceXML rappresenta senz'altro un elemento di sviluppo da non sottovalutare, anche tenendo conto che, al contrario della tecnologia WAP, non necessita di terminali con caratteristiche specifiche; bens√", l'utente puo' usufruirne dal telefono di casa o dal cellulare.

 

 

Questo sara' il nostro "futuro" presente: lancio della prima offerta UMTS in Italia

 

L' UMTS sembra decisamente piu' vicino da quando i principali operatori wireless italiani hanno dichiarato le proprie intenzioni e forse da oggi lo sembra ancora di piu' con l'annuncio atteso e giunto nei giorni scorsi da H3G, uno dei detentori delle licenze UMTS in Italia, e non solo.
H3G ha infatti lanciato le prenotazioni online per quella che definisce la prima formula "all inclusive" sul mercato italiano, una sorta di flat-rate concepita per l'uso dei servizi UMTS e per bypassare anche il non indifferente problema della disponibilita' dei cellulari UMTS, quelli che H3G chiama "videofonini" (marchio registrato). Per il lancio sono presentate essenzialmente due offerte. La prima dal costo di 85 euro al mese e la seconda da 140, ma con videofonino incluso in noleggio (prezzi Iva inclusa). La "mobile video company" italiana punta per questa fase del lancio sul suo sito "3", che e' anche il marchio sotto il quale verranno d'ora in poi promossi i servizi UMTS dell'azienda.
La prima offerta, Top3 Executive, comprende nel canone tutte le chiamate (con eventuale roaming su TIM nelle zone non inizialmente coperte da 3), le videochiamate, SMS, Videomessaggi e MMS, e-mail anche con allegati e i contenuti del Mobile Portal di 3 (tra cui Videogoal in near live, Videonews, Music, Finance, Punti di interesse, Mappe, ecc.). Compreso nel canone e' stato concepito un limite all'utilizzo, spiega l'azienda in una nota, come forma di "anti-abuso", piuttosto comprensibile in fase di lancio, "ipotizzando - afferma H3G - livelli di consumo diverse volte superiori al traffico 2G dei clienti 'heavy users'." Questi livelli sono calcolati su base settimanale: 10 ore di chiamate voce, 10 ore di videochiamate, 150 SMS, 50 MMS, 100 e-mail. Se si superano i livelli standard, le tariffe sono le seguenti (tutti i prezzi Iva inclusa): - chiamata voce: 0,12Ç" al minuto con uno scatto alla risposta di 0,15Ç" - videochiamata: 0,48Ç" al minuto con uno scatto alla risposta di 0,15Ç"
- SMS: 0,15Ç", Videomessaggio o MMS: 0,48Ç".