QUALITÀ DEI SERVIZI DI COMUNICAZIONI MOBILI E PERSONALI
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QUALITÀ DEI SERVIZI DI COMUNICAZIONI MOBILI E PERSONALI
QUALITÀ DEI SERVIZI DI COMUNICAZIONI MOBILI E PERSONALI Deliverable D03 RELAZIONE DESCRITTIVA DI NUOVI ALGORITMI DI RILEVAZIONE E REALIZZAZIONE DI MODULI SOFTWARE PER LA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DEI SERVIZI Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Sommario RELAZIONE DESCRITTIVA DI NUOVI ALGORITMI DI RILEVAZIONE E REALIZZAZIONE DI MODULI SOFTWARE PER LA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DEI SERVIZI ...............................................................................................i 1 2 Sigle e abbreviazioni..........................................................................................................................................3 Premessa .............................................................................................................................................................6 2.1 2.2 3 Finalità del documento .................................................................................................................................................6 Struttura del documento ...............................................................................................................................................7 Indicatori di Qualità (KPI).................................................................................................................................8 3.1 Copertura .......................................................................................................................................................................8 3.2 Voce...............................................................................................................................................................................8 3.2.1 Accessibilità al servizio (Blocking probability) ..................................................................................................8 3.2.2 Mantenimento del servizio (Dropping probability) ............................................................................................8 3.3 Sms/Mms.......................................................................................................................................................................9 3.3.1 Tasso di sms inviati con successo.........................................................................................................................9 3.3.2 Probabilità di trasferimento degli SMS a SMSC.................................................................................................9 3.3.3 Tempi di consegna SMS (End-to-End)...............................................................................................................10 3.4 Dati ..............................................................................................................................................................................10 3.4.1 Velocità di trasmissione dei dati (Throughput).................................................................................................11 3.4.2 Tasso di insuccesso nella trasmissione dati (Down/Upload) ...........................................................................11 3.4.3 Tasso di perdita dei pacchetti (Packet Loss) .....................................................................................................12 3.4.4 Ritardo di trasmissione dati (Latency/Delay – One Way Trans.Time)............................................................12 3.4.5 Variabilità del ritardo (Jitter) ............................................................................................................................12 3.5 Servizi e relazione con KPI ........................................................................................................................................12 4 Il panorama evolutivo delle comunicazioni mobili........................................................................................16 4.1 Gli standard .................................................................................................................................................................16 4.1.1 Il sistema GSM.....................................................................................................................................................16 4.1.2 Il sistema UMTS ..................................................................................................................................................18 4.1.3 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ................................................................................................20 4.1.4 LTE (Long Term Evolution)................................................................................................................................21 4.1.5 Evoluzione dei terminali con le reti ...................................................................................................................24 4.1.6 Classificazione dei terminali ..............................................................................................................................25 4.1.7 Terminali per servizi dati: chiavette o PC per accesso a internet ...................................................................26 4.1.8 Le reti: multistrato oppure bouquet ...................................................................................................................27 4.2 Le bande di frequenza.................................................................................................................................................29 4.2.1 GSM 900/1800, UMTS 2100/900/800, LTE: 2600/2100/900/800 ...................................................................29 4.2.2 Trend verso frequenze più basse ........................................................................................................................30 4.2.3 Refarming delle bande esistenti..........................................................................................................................31 4.2.4 Implicazioni per QoS...........................................................................................................................................31 4.2.5 Utilità delle bande a frequenze minori ..............................................................................................................31 4.2.6 Penetrazione indoor ............................................................................................................................................32 4.3 Le problematiche QoS in relazione al panorama dei terminali................................................................................34 4.3.1 QoS della rete e terminali: le prestazioni ottimali ............................................................................................35 4.3.2 QoS della rete e terminali: le prestazioni medie per una tipologia di terminale............................................36 4.3.3 QoS della rete e terminali: le prestazioni medie per ogni tipologia di terminale...........................................36 4.3.4 QoS della rete e terminali: le prestazioni medie della rete ..............................................................................36 4.4 Copertura e Throughput .............................................................................................................................................37 4.4.1 Dipendenza del throughput massimo dal livello del segnale e dalle condizioni interferenziali ....................37 4.4.2 Dipendenza del throughput massimo da standard e banda utilizzata in funzione della distanza..................41 4.4.3 Differenza fra il throughput massimo outdoor oppure indoor (dipendenza dalla banda usata) ...................42 5 Metodologia di esecuzione delle misure per il servizio dati .........................................................................44 5.1 Architettura del sistema e punti di misura.................................................................................................................44 5.2 Modalità di esecuzione delle misure degli indicatori di prestazione.......................................................................47 5.2.1 Metodologia di misura della qualità dell’accesso da postazione fissa ...........................................................47 i Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 5.2.2 Misure che prevedono l’impiego di protocolli di tipo real time.......................................................................49 5.2.3 Ulteriori metodologie di misura .........................................................................................................................49 5.2.4 L’esperienza britannica nella misura delle prestazioni dell’accesso a banda larga da reti radiomobili in tecnologia HSDPA............................................................................................................................................................50 6 RTP/RTCP........................................................................................................................................................52 6.1 Generalità ....................................................................................................................................................................52 6.1.1 RTCP ....................................................................................................................................................................53 6.2 MISURA DI PARAMETRI E ACCURATEZZA....................................................................................................53 6.2.1 Esempio ................................................................................................................................................................54 6.3 Estrazione dei parametri Rtp ......................................................................................................................................54 6.4 Intestazione Messaggi Rtcp........................................................................................................................................55 6.5 RTP/RTCP: ESEMPIO DI APPLICAZIONE PRATICA ......................................................................................56 7 Riferimenti........................................................................................................................................................59 ii Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 1 Sigle e abbreviazioni Le sigle ed abbreviazioni utilizzate nel presente documento hanno i significati qui sotto riportati. 3G 3rd Generation 3GPP Third Generation Partnership Project AGCOM Autorità per le garanzie nelle comunicazioni Autorità Autorità per le garanzie nelle comunicazioni (ove non diversamente specificato) AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate CDMA Code Division Multiple Access CIR Carrier to Interference Ratio (talora anche C/I) DNS Domain Name System DS-CDMA Direct Sequence CDMA E-DCH Enhanced-Dedicated Channel EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution EG Etsi Guide ETSI European Telecommunications Standards Institute ETSI EG ETSI Guide ETSI TS ETSI Technical Specification FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform Fondazione Fondazione Ugo Bordoni (ove non diversamente specificato) FTP File Transfer Protocol FUB Fondazione Ugo Bordoni GGSN Gateway GPRS Support Node GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile communications (2G) HLR Home Location Register HSDPA High-Speed Downlink Packet Access HSDSCH High Speed-Downlink Shared Channel 3 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali HSPA High-Speed Packet Access HS-PDSCH High Speed-Physical Downlink Shared Channel HSUPA High-Speed Uplink Packet Access KPI Key Performance Indicator IAP Internet Access Provider ICMP Internet Control Message Protocol IFFT Inverse Fast Fourier Transform ILP Indoor Location Probability IP Internet Protocol ISDN Integrated Services Digital Network ITU International Telecommunication Union IXP Internet eXchange Point LTE 3GPP Long Term Evolution MCS Modulation Coding Scheme MIMO Multiple Input Multiple Output MMS Multimedia Messaging Service MS Mobile Station MSC Mobile Switching Centre NAP Neutral Access Point OFDMA Orthogonal Frequency Multiple Access OLP Outdoor Location Probability OMC Operation and Maintenance Centre PLMN Public Land Mobile Network PRB Physical Resource Block PSTN Public Switched Telephone Network QAM Quadrature Anplitude Modulation QoE Quality of Experience QoS Quality of Service RSPG Radio Spectrum Policy Group RTCP Real-Time Control Protocol RTP Real-Time Protocol SC-FDMA Single Carrier-Frequency Division Multiple Access 4 Deliverable D03 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali SDU Service Data Unit SF Spreading Factor SGSN Service Group Support Node SIM Subscriber Identity Module SMS Short Message Service SMSC Short Message Service Centre SNR Signal-to-Noise Ratio SRB Stazione Radio Base STQ Speech Processing, Transmission and Quality Aspects TACS Total Access Communications System (1G) TCP Transmission Control Protocol TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Access TTI Transmission Time Interval UDP User Datagram Protocol UE Unione Europea UMTS Universal Mobile Telecommunication System VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP WAPECS Wireless Access Policy for Electronic Communications Services WCDMA Wideband CDMA WRC World Radio Conference 5 Deliverable D03 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 2 Premessa 2.1 Finalità del documento Nei precedenti deliverable D01 [1] e D02 [2] si è già precisato come, all’interno dell’universo di possibili significati che può assumere l’espressione “Qualità di Servizio”, il nostro interesse sia rivolto all’ambito tecnico, ed al suo interno più al QoS oggettivo (metriche direttamente misurabili, quali il throughput, il ritardo o la perdita di pacchetti) che a quello soggettivo (come l’utente percepisce il livello di servizio di una certa applicazione di rete o di un certo servizio). Passare dall’uno all’altro non è immediato, ma non è nemmeno impraticabile; sono richiesti studi approfonditi ed esaustivi per poter chiarire le dipendenze funzionali dei livelli di qualità delle applicazioni in funzione di queste metriche oggettive. Al contempo, alcune valutazioni di carattere sintetico possono essere derivate in modo abbastanza diretto dalle metriche stesse; per esempio, si possono definire dei livelli minimi che esse devono rispettare perché la qualità di quel certo servizio o applicazione non risulti compromesso. Allo stesso modo, è possibile ipotizzare la definizione di certe soglie per le metriche oltre le quali si può ritenere che il livello di qualità di quel certo servizio o applicazione risulti di buon livello. È perciò possibile, quantomeno in linea di principio, definire una sorta di matrice che riporta nelle colonne le metriche (che, così intese, diventano - KPIs) misurabili in rete, mentre in ogni riga si riportano i singoli servizi, oppure applicazioni di rete, di interesse (quindi da un lato browsing, streaming, email, e così via e dall’altro Youtube, Facebook, Google, ecc.). In tale matrice si riportano quindi i livelli minimi che devono assumere i KPI perché il corrispondente servizio sia considerato di sufficiente qualità oppure di buona qualità. Come noto, l’attuale evoluzione delle reti mobili vede al loro interno la coesistenza, ed anzi la sinergia, di diversi sistemi o standard e di diverse bande di frequenze di lavoro, con caratteristiche e prestazioni in termini di KPI abbastanza chiaramente distinti. Questo fatto rende ulteriormente complessa l’analisi della QoS per il generico utente, in quanto essa dipende fortemente dalla tipologia di terminale che si può astrattamente ipotizzare che egli stia utilizzando. Si possono immaginare diversi approcci: da quello che evidenzia i valori limite o di picco che la rete può offrire in termini di KPI; a quello, per certi versi opposto, che cerca di sintetizzare in un unico valore il comportamento medio della singola rete mobile (sulla base dei KPI globali di rete e considerando come gli utenti si distribuiscono fra i vari servizi ed applicazioni), ossia il grado di soddisfazione globale dell’utente medio; in tal modo si è individuato una sorta di Indice Globale di Qualità Mobile per la rete esercita da quel certo operatore. Analoghe considerazioni possono poi venire estese dall’ambito dei terminali a quello delle varie pianificazioni di rete associate ai diversi standard ed alle diverse bande di frequenza. Il nostro obbiettivo è quello di fotografare la qualità della sola rete mobile; si intende però mantenere il fuoco sulla dipendenza di questa dalla tipologia di terminale e dalla pianificazione di rete in termini di standard e banda di frequenza. A tali problematiche è necessario dare risposta mediante un adeguato progetto dell’architettura del sistema di misura della QoS, sapendo quali sono le tecniche su cui contare ed i parametri che si vuole misurare. Accanto agli aspetti comuni a quanto già intrapreso per la misura della qualità di servizio sulla rete fissa, è perciò opportuno evidenziare anche le possibili soluzioni alternative, pur senza nascondersi le difficoltà e le differenze, anche sostanziali, esistenti. Si riprendono a tal fine i suggerimenti già esposti nel Deliverable D02 [2] sulla possibile sinergia e complementarietà fra i diversi approcci basati su contatori di rete, drive test ed agent mobili sui terminali. Allo stesso tempo si esplicitano possibili criticità nelle modalità di misura dei KPI di interesse se effettuate secondo le modalità utilizzate per la rete fissa; si suggeriscono dunque alcune alternative, sia direttamente utilizzabili fin d’ora, sia altre possibilità, forse ancora più semplici, ma che richiedono una valutazione accurata della loro effettiva efficacia o implementabilità. 6 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 2.2 Struttura del documento Nel seguito viene descritto come è organizzato il presente documento. Nel capitolo 3, dopo aver ricordato al paragrafo 3.1 la rilevanza degli aspetti di copertura per qualunque considerazione sulla qualità delle reti mobili, si richiameranno i principali indicatori di qualità (KPI: Key Performance Indicator) che si possono individuare per le diverse tipologie di: servizio Voce, servizio SMS/MMS e servizio Dati, rispettivamente nel paragrafi 3.2, 3.3 e 3.4. Particolarmente per la tipologia Dati, si suggeriscono indicatori relativi alla connessione piuttosto che allo specifico servizio; nel paragrafo 3.5 vengono invece indicate le possibili strategie per ricavare da questi indicatori informazioni di qualità su determinati servizi. Il capitolo 4 viene dedicato all’esame dell’evoluzione delle comunicazioni mobili, così come si vanno configurando in termini di sistemi utilizzati (paragrafo 4.1 sugli standard) e delle bande in uso o prossime ad essere utilizzate (paragrafo 4.2). Nel paragrafo successivo 4.3 si mostra come tale evoluzione condizioni fortemente le tipologie di terminali presenti sul mercato e di conseguenza si ragiona su quali sono i possibili approcci alla QoS che tengano conto di tale variegato panorama. Oltre a ciò, nel paragrafo 4.4 vengono evidenziate le dipendenze di due aspetti cruciali, quali copertura e throughput, dai parametri messi in evidenza. Nel capitolo 5 invece si affronta direttamente le problematiche relative alla modalità con cui è possibile effettuare le misurazioni dei diversi indicatori di qualità individuati al capitolo 3. Si inizia al paragrafo 5.1 con l’analisi dell’architettura del sistema e dei relativi punti di misura, passando poi ad esaminare nel paragrafo 0 le diverse modalità con cui effettuare le misurazioni, da un lato replicando quanto già visto per la connessione Internet su rete fissa, dall’altro capitalizzando su tale esperienza sia proponendo miglioramenti di immediata applicabilità quali i protocolli RTP che cogliendo le eventuali possibilità offerte da altre metodologie oppure dalle recentissime esperienze britanniche. Il capitolo 6 è invece interamente dedicato all’approfondimento del protocollo RTP/RTCP, a partire dalla sua descrizione generale (6.1) e dalle informazioni relative ai KPI di nostro interesse che esso mette direttamente a disposizione (6.2). Nel successivo paragrafo 6.3 viene descritto un possibile scenario di misura per poter estrarre le informazioni sui KPI desiderate, mentre nel paragrafo 6.4 si descrivono in dettagli i formati dei vari messaggi che costituiscono il protocollo, da cui è immediato evincere il grosso potenziale di questa tecnica di misurazione dei KPI. Nel paragrafo 6.5 si conclude invece con un esempio di implementazione pratica dei principi appena visti e delle possibili procedure per la raccolta delle informazioni sui KPI. 7 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 3 Indicatori di Qualità (KPI) Nel presente capitolo vengono riassunti gli indicatori di qualità (Key Performance Indicator - KPI) di rilievo per i diversi servizi rispetto ai quali si desidera valutare la QoS: voce, SMS e dati. La descrizione dei KPI è già stata affrontata in [2] e viene qui richiamata per ragioni di chiarezza. Per maggiori dettagli sui KPI si rimanda a quanto già riportato nel citato documento [2]. I parametri che caratterizzano la qualità del servizio fanno parte della categoria degli indicatori chiave di prestazioni (Key Performance Indicators). Nel seguito ci si riferirà con il termine KPI ai parametri di qualità del servizio delle reti mobili, la cui definizione è riportata nel seguito. 3.1 Copertura La copertura è un parametro molto importante nella valutazione della QoS. Infatti l’indisponibilità della rete, viene percepita da parte dell’utente come mancanza di servizio, quando ci si aspetta invece che tale servizio sia disponibile. Pertanto essa rappresenta un pre-requisito, senza il quale qualunque considerazione in merito ai KPI che descrivono la qualità di un qualunque servizio risulta priva di significato. La definizione di copertura di rete e le problematiche connesse verranno affrontate nei capitoli a seguire. 3.2 Voce La valutazione della qualità del servizio voce è legata al tipo di insuccesso della rete: può trattarsi di assenza di copertura al mobile, di impossibilità di effettuare chiamate, pur avendo copertura, o di impossibilità di accedere ad un determinato servizio. 3.2.1 Accessibilità al servizio (Blocking probability) L’accessibilità al servizio ha senso solo quando vi è accesso alla rete. Il servizio può non essere accessibile per i seguenti motivi: non ci sono canali radio disponibili a supportare il servizio non ci sono collegamenti di trasmissione tra la base station e mobile switching centre. La disponibilità di un servizio è quindi la combinazione dell’accessibilità alla rete e dell’accessibilità al servizio. 3.2.2 Mantenimento del servizio (Dropping probability) Questo parametro fornisce una misura della capacità della rete mobile, utilizzata dal service provider, di mantenere una chiamata, una volta che essa sia stata correttamente stabilita. Quando si utilizzano misure 8 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 basate su contatori di rete, le misure devono essere realizzate attraverso un sistema automatico di raccolta dei dati, basato esso stesso sui contatori di rete, che registri il traffico reale della rete. I contatori di rete raccolgono informazioni per 24 ore al giorno e ogni giorno dell’anno. Le statistiche che devono essere fornite sono: percentuale di chiamate cadute, calcolata a partire da tutte le chiamate realizzate nel periodo. Quando si utilizzano chiamate di test, le statistiche che devono essere ricavate sono: percentuale di chiamate cadute, corredata dal numero di osservazioni effettuate e dai limiti di accuratezza assoluta per un intervallo di confidenza al 95%, calcolati a partire da tale numero. Per entrambi i metodi, le misure devono fornire un’accuratezza relativa superiore al 10% con un livello di affidabilità del 95%. 3.3 Sms/Mms 3.3.1 Tasso di sms inviati con successo Probabilità che un utente possa inviare con successo un SMS da un terminale ad un SMSC. Le statistiche che devono essere fornite sono: percentuale di SMS inviati con successo, corredata dal numero di osservazioni effettuate e dai limiti di accuratezza assoluta per un intervallo di confidenza al 95%, calcolati a partire da tale numero. Le statistiche devono essere calcolate mediante una delle seguenti modalità: a) misure sul traffico reale per gli SMS b) misure sul traffico reale per gli SMS all’interno di una popolazione rappresentativa dei MSC c) chiamate di test su una popolazione rappresentativa dei MSC d) una combinazione dei precedenti Le misure devono essere pianificate in modo da tener in considerazione accuratamente le variazioni di traffico nell’arco delle ore della giornata, dei giorni della settimana e dei mesi dell’anno. Il monitoraggio delle chiamate può essere effettuato analizzando periodicamente la K-esima chiamata, dove K deve essere calcolato a partire dal numero totale di chiamate attese nell’intervallo temporale di interesse e dal numero delle osservazioni necessarie. 3.3.2 Probabilità di trasferimento degli SMS a SMSC Tasso di SMS correttamente inviati e ricevuti tra due terminali. Le statistiche che devono essere fornite sono: tasso di SMS inviati e ricevuti con successo, corredato dal numero di osservazioni effettuate e dai limiti di accuratezza assoluta per un intervallo di confidenza al 95%, calcolati a partire da tale numero. 9 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Le statistiche devono essere calcolate mediante una delle seguenti modalità: a) misure sul traffico reale per gli SMS b) misure sul traffico reale per gli SMS all’interno di una popolazione rappresentativa dei MSC c) chiamate di test su una popolazione rappresentativa dei MSC d) una combinazione degli approcci precedenti Le misure devono essere pianificate in modo da tener in considerazione accuratamente le variazioni di traffico nell’arco delle ore della giornata, dei giorni della settimana e dei mesi dell’anno. Il monitoraggio degli SMS può essere effettuato analizzando periodicamente il K-esimo SMS, dove K deve essere calcolato a partire dal numero totale di chiamate attese nell’intervallo temporale di interesse e dal numero delle osservazioni necessarie. 3.3.3 Tempi di consegna SMS (End-to-End) Il tempo di consegna end-to-end per gli SMS è l’intervallo che inizia quando un SMS è inviato da un terminale ad un SMSC e finisce quando l’SMS è ricevuto dal medesimo terminale o da un altro. Le seguenti statistiche devono essere fornite separatamente: a) valor medio, in secondi, del tempo per inviare e ricevere SMS b) tempo in secondi all’interno del quale il 95% degli SMS sono inviati e ricevuti c) numero di osservazioni effettuate Le statistiche devono essere calcolate mediante una delle seguenti modalità: a) misure sul traffico reale per gli SMS b) misure sul traffico reale per gli SMS all’interno di una popolazione rappresentativa dei MSC c) chiamate di test su una popolazione rappresentativa dei MSC d) una combinazione degli approcci precedenti Le misure devono essere pianificate in modo da tener in considerazione accuratamente le variazioni di traffico nell’arco delle ore della giornata, dei giorni della settimana e dei mesi dell’anno. Il monitoraggio degli SMS può essere effettuato analizzando periodicamente il K-esimo SMS, dove K deve essere calcolato a partire dal numero totale di chiamate attese nell’intervallo temporale di interesse e dal numero delle osservazioni necessarie. 3.4 Dati Come già riferito in [2], l’accesso a Internet si presenta come un insieme di collegamenti e servizi, che devono essere disponibili in combinazione. La qualità percepita dall’utente dei servizi via Internet sono quindi influenzati dalla qualità di ogni singolo elemento dell’insieme connessione/servizio. Per la valutazione della qualità dell’accesso ad Internet è necessario sottolineare che, dal punto di vista dell’utente, il termine “accesso a Internet” è spesso inteso non solo come la possibilità di avere accesso al 10 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 meccanismo di trasporto di Internet, ovvero allo strato di trasmissione IP, ma come la possibilità di accedere ad un insieme di servizi, indipendentemente dal tipo di canale fisico di accesso. I parametri che verranno nel seguito descritti servono per valutare la qualità dell’accesso ad Internet, come percepita dall’utente. Lo scopo di tali parametri è limitato all’accesso Internet in sé, come per esempio il collegamento tra l’utente e l’IAP e la disponibilità e l'affidabilità della connessione. Inoltre l’accesso solitamente non è fornito da un singolo servizio o network provider, ma è una combinazione di diverse connessioni e servizi; perciò la qualità complessiva è una combinazione delle singole prestazioni di ogni elemento del collegamento. Nel seguito si riporteranno i parametri necessari a stimare la QoS del generico servizio dati. 3.4.1 Velocità di trasmissione dei dati (Throughput) La velocità di trasmissione dati è definita come la velocità di trasmissione raggiunta separatamente nel download e nell’upload di specifici file di prova fra un sito web remoto ed il computer di un utente. Questo parametro può essere applicato a tutti gli IAP. Dovranno essere fornite, separatamente per la direzione di download che per quella di upload, le seguenti statistiche. a) Il più alto 95.o percentile raggiunto dalla velocità di trasmissione dati in kbit/s b) Il più basso 5.o percentile raggiunto dalla velocità di trasmissione dati in kbit/s c) Il valor medio e la deviazione standard della velocità di trasmissione dati in kbit/s Particolare attenzione deve essere prestata sia all’allestimento della tipologia di misura che alla prescrizione di rappresentatività in termini geografici e temporali. Il tempo di trasmissione è il periodo di tempo che va da quando la rete di accesso ha ricevuto le informazioni necessarie per avviare la trasmissione fino a quando l’ultimo bit di dati del file di test è stato ricevuto. 3.4.2 Tasso di insuccesso nella trasmissione dati (Down/Upload) La percentuale di trasmissione dati senza successo è definita come il rapporto fra le trasmissioni dati senza successo ed il numero totale di tentativi di trasmissione dati in un determinato periodo di tempo. Una trasmissione dati ha successo quando un file di test viene trasmesso completamente e privo di errori. Questo parametro può essere applicato a tutti i servizi dell’IAP. Va fornita la percentuale ottenuta dalla somma totale delle trasmissioni senza successo divisa per la somma totale dei tentativi di trasmettere un file di test. Particolare attenzione deve essere prestata sia all’allestimento della tipologia di misura che alla prescrizione di rappresentatività in termini geografici e temporali. Un tentativo di trasmettere un file di test deve essere considerato senza successo se richiede più di 60 secondi. Nota : La soglia di 60 secondi fa riferimento al limite per avere prestazioni accettabili per la trasmissione o il recupero del carico di dati della Raccomandazione ITU-T G.1010 [6]. Il tempo di trasmissione è il periodo di tempo che va da quando la rete di accesso ha ricevuto le informazioni necessarie per avviare la trasmissione fino a quando l’ultimo bit di dati del file di test è stato ricevuto. 11 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 3.4.3 Tasso di perdita dei pacchetti (Packet Loss) Il tasso di perdita dei pacchetti ha un effetto molto diretto sulla qualità delle informazioni ricevute dall’utente, siano esse voce, immagini, video o dati. D’altra parte, la perdita di informazioni non si limita agli effetti di errori di bit o di perdita di pacchetti durante la trasmissione, ma comprende anche gli effetti di degradazione introdotti dalla codifica, necessaria per una trasmissione più efficiente (ad esempio l'uso di codec vocale a bassa bit-rate per la voce). 3.4.4 Ritardo di trasmissione dati (Latency/Delay – One Way Trans.Time) Il ritardo è la metà del tempo in millisecondi richiesto per un ICMP (Internet Control Message Protocol) Echo Request/Reply (Ping) ad un indirizzo IP valido, in accordo con la RFC 792 [10]. Questo parametro può essere applicato a tutti i servizi dell’IAP. Vanno fornite le seguenti statistiche: a) Il valor medio del ritardo in millisecondi b) La deviazione standard del ritardo Particolare attenzione deve essere prestata sia all’allestimento della tipologia di misura che alla prescrizione di rappresentatività in termini geografici e temporali. 3.4.5 Variabilità del ritardo (Jitter) Assieme al ritardo ed alla perdita di pacchetti, la variabilità del ritardo (normalmente nota come “jitter”) viene di solito inserita fra i parametri rilevanti per caratterizzare le prestazioni dell’accesso Internet, in quanto nei sistemi a pacchetto il livello di trasporto è fortemente influenzato dalla variabilità intrinseca presente nei tempi di arrivo dei singoli pacchetti. Di solito, tuttavia, i servizi che sono fortemente sensibili alla variabilità del ritardo prendono adeguate misure per eliminare (o quantomeno ridurre) tale variabilità mediante l’adozione di tecniche di buffering, che consentono di eliminare efficacemente gli effetti di tale variabilità sulla percezione del livello utente (al costo tuttavia dell’introduzione di un ritardo fisso aggiuntivo). La variabilità assoluta del ritardo è la differenza dei ritardi fra pacchetti consecutivi. Oltre alla media della variabilità assoluta del ritardo, per il monitoraggio dei servizi di tipo real-time si utilizza una media mobile della variabilità assoluta (come per esempio nel Real-Time Protocol (RTP). Questo parametro può essere applicato a tutti i servizi dell’IAP. 3.5 Servizi e relazione con KPI Come già rilevato in [2], nella creazione di una relazione tra KPI e servizi è necessario sottolineare la profonda differenza le tre categorie voce, sms e dati; quest’ultima infatti è caratterizzata da una molteplicità 12 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 di servizi fruibili da parte dell’utente assai differenziati nelle modalità di interazione e, quindi, nelle forme in cui la qualità del servizio può manifestarsi. Dal punto di vista di una osservazione oggettiva, la differenziazione tra i servizi include una diversa dipendenza dai parametri di qualità (KPI) già definiti. Essi possono essere applicati direttamente al servizio fondamentale di tipo “dati”, cioè l’accesso a Internet, che costituisce il prerequisito affinché all’utente possano essere forniti tutti gli altri servizi (in altri termini, si colloca ad un livello protocollare inferiore). D’altra parte, dal punto di vista dell’esperienza dell’utente, il servizio di accesso alla rete non è percepito indipendentemente, ma solo in base al suo impatto sugli altri servizi Internet. In questo senso le prestazioni devono essere espresse mediante parametri che: pongano l’attenzione sugli effetti percepibili dall’utente, piuttosto che sulle loro cause all’interno della rete; siano indipendenti dal progetto interno della rete; tengano conto di tutti gli aspetti del servizio percepiti dall’utente che possano essere misurati in modo oggettivo al punto d’accesso; possano essere garantiti all’utente dal service provider. Ponendosi quindi dal punto di vista dell’utente, una quantificazione dei requisiti in termini di KPI per le differenti tipologie di servizi dati può essere trovata in ETSI EG 202 057-4, Annesso H [5], e in Rec. ITU-R M.1079-2 [9] nella forma riportata in Tabella 1. Si può notare come in molti casi i valori limite delle prestazioni vengano forniti per due condizioni: • un livello accettabile, che costituisce la condizione limite perché il servizio possa essere effettivamente fornito all’utente, • un livello preferibile, che può essere assunto come la condizione necessaria perché l’utente possa fruire del servizio secondo requisiti di qualità. Questa classificazione permette quindi di impostare la valutazione della Qualità di Servizio in base a tre stati, in funzione del valore rilevato per ciascuno dei KPI: Il servizio può essere fornito, per quanto attiene allo specifico KPI, con adeguato livello di Qualità, Il servizio può essere fornito all’utente, ma i requisiti di QoS non possono essere soddisfatti, Il servizio non può essere fornito all’utente. I casi previsti dalla classificazione potranno, a seconda dei casi (KPI/servizio), ridursi a due, ad esempio quando non sia presente una distinzione tra livello accettabile e preferibile, o anche ad uno, quando il KPI risulti ininfluente per il servizio in esame. 13 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Tabella 1 - Requisiti in termini di KPI per le differenti tipologie di servizi dati KEY PERFORMANCE INDEXES Audio SIMMETRIA CONVERSAZIONE VOCALE MESSAGGI VOCALI Video STREAMING AUDIO VIDEOCHIAMATE TRASMISSIONE VIDEO WEB-BROWSING Dati TRASMISSIONE DATI FILE TRANSAZIONI AD ELEVATA PRIORITA' COMANDO/CONTROLLO 2-WAY Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY DATA RATE (tipico) QUANTITA' DI DATI (tipica) <150 ms (preferibile) <400ms (limite) <1s playback <2s registrazione 4-64 Kbps 4-32 Kbps <3% PLR <<1ms <1% PLR <1% PLR 1-WAY 16-384Kbps <10s <1% PLR Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY <2s/pag (preferibile) <4s/pag (accettabile) <15s (preferibile) <60s (accettabile) <2s (preferibile) <4s accettabile <250ms <15s (preferibile) <60s (accettabile) <200ms 0% PLR <1KB <200ms 0% PLR <10KB <2s (preferibile) <4s (accettabile) 0% PLR <10 KB Parecchi minuti 0% PLR 10 KB <30s /pag 10-6 BER 10 KB Parecchi minuti 10-6 BER 10 KB 10 KB-10 MB 2-WAY <10KB 2-WAY 1KB <100KB USENET <1ms <10s <1KB FAX (store & forward) <3% PLR <150ms (preferibile) <400ms (limite) 1-WAY TRANSAZIONI A BASSA PRIORITA' <1ms 16-128 Kbps 2-WAY 2-WAY (asimmetrico) Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY Primariamente 1-WAY FAX (real time) TASSO DI PERDITA DEI PACCHETTI (INFORMATION LOSS) 16-384Kbps GIOCHI INTERATTIVI EMAIL (accesso al server) EMAIL (da server a server) VARIAZIONE RITARDO (JITTER) 2-WAY IMMAGINI STATICHE TELNET RITARDO DI TRASMISSIONE DATI (ONE-WAY DELAY) ALTRO sincronizzazione audio-video: <80ms 0% PLR 0% PLR 0% PLR 0% PLR 0% PLR <10 KB <30s 0% PLR >1MB Parecchi minuti 0% PLR Pur fornendo una descrizione piuttosto completa delle prestazioni necessarie per ciascun servizio, la tabella non è ancora direttamente utilizzabile per l’individuazione dei valori dei KPI, in quanto, come si è detto, presenta una classificazione orientata all’esperienza dell’utente, coinvolgendo perciò non solo le prestazioni della rete, oggetto principale di questo documento, ma anche le caratteristiche peculiari di ogni servizio e la qualità offerta da chi lo fornisce a livello di applicazione. Va notato, ad esempio, che la definizione di ritardo di trasmissione può essere riferita alla prestazione della rete solo nel caso dei servizi audio e video, mentre per i servizi dati il requisito proposto è legato all’esperienza dell’utente e commisurato al trasferimento di una prefissata, tipica, quantità di dati. Ciò si traduce, quindi, piuttosto in un requisito per il throughput della rete. Una classificazione maggiormente orientata alle prestazioni della rete può essere derivata da Rec. ITU-T Y.1541 [7], e viene riportata nella Tabella 2. 14 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Tabella 2 - Definizione di classi di QoS per reti IP e obiettivi per le prestazioni di rete. Classi di QoS Parametro prestazione di rete Natura dell’obiettivo di prestazione di rete Classe 0 Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 (senza requisiti) IPTD (Ritardo) 100 ms 400 ms 100 ms 400 ms 1s / IPDV (Jitter) 50 ms 50 ms / / / / IPLR (perdita pacchetti) 1 x 10-3 1 x 10-3 1 x 10-3 1 x 10-3 1 x 10-3 / Le classi di QoS sono così definite: Classi 0-1: servizi real-time, sensibili al jitter, Classi 2-3: transazioni dati, Classe 4: servizi con prevalenti requisiti su perdita dei pacchetti, Classe 5: servizi senza requisiti sulle prestazioni, inclusi quelli delle altre classi qualora si voglia accettare una fruizione senza obiettivi di qualità. Le classi 1 e 3 sono corrispondenti alle classi 0 e 2, con un requisito di interattività più stringente. I corrispondenti obiettivi possono non essere facilmente raggiungibili. 15 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 4 Il panorama evolutivo delle comunicazioni mobili Si è già precisato che si è interessati allo studio delle tematiche QoS limitatamente al segmento di rete costituito dalla sola rete mobile. Pur essendo quindi interessati all’analisi di quelle problematiche sulla Qualità di Servizio che sono strettamente collegate a quanto è in grado di offrire la rete mobile di accesso, tuttavia non si può pensare di condurre tale analisi in termini puramente astratti. Va invece tenuto presente che ci interessa andare ad osservare come caratterizzare la qualità della rete perché a questo aspetto è fortemente interessato l’utente finale ed è su tale tema che si giocano i principi di concorrenza, di accesso equo e non discriminatorio e di completezza dell’informazione che presiedono al quadro regolamentare vigente nella Unione Europea, così come richiamato nel capitolo 3.1 del Deliverable D01. E’ necessario quindi che il generico utente possa reperire, approntate “a uso degli utenti finali, informazioni comparabili, adeguate ed aggiornate sulla qualità dei servizi offerti” dai diversi operatori di rete mobile. Pare quindi di cogliere l’evidente intenzione di andare incontro a quelle che possono essere le esigenze di trasparenza del generico utente. In questo senso, non tutti gli utenti sono interessati agli stessi servizi e neppure sono spesso in grado di usufruire di tutti i servizi offerti dalla rete mobile. La fruizione dei servizi è infatti condizionata dal terminale che viene utilizzato dall’utente, ed è demarcata sia dalle caratteristiche tecniche che dalla tipologia di servizi per i quali è stato progettato. Mentre delle tipologie di servizi si è parlato nel precedente capitolo, in questo volgeremo l’attenzione alla descrizione delle principali caratteristiche tecniche che caratterizzano il terminale, ossia lo/gli standard e la/le banda/e di frequenza utilizzate, per poi sviluppare alcune considerazioni sulle possibili modalità di correlare queste alla Qualità di Servizio offerta dalla rete mobile, concludendo poi con alcuni richiami a come esse intersecano le reali condizioni operative all’interno di una rete mobile. 4.1 Gli standard 4.1.1 Il sistema GSM Il sistema GSM, nella sua fase 2 (operativa dal 1996), è in grado di offrire, mediante l’utilizzo di una tecnologia digitale che sfrutta una tecnica mista di accesso alla risorsa radio TDMA-FDMA, servizi innovativi rispetto al sistema cellulare analogico TACS, in particolare: • roaming internazionale, cioè l’instaurazione di comunicazione tra utenti appartenenti a diverse nazioni; • trasmissione dati con velocità fino a 9.6 Kbps; • servizio di messaggistica, l’SMS (Short Message Service). 16 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Architettura sistema GSM Caratteristiche basi GSM 2 3 4 burst 914.8+/-0.1MHz 0 1 124 914.8+/- 5 BTS BTS BTS 6 7 !=25"#z !=25"#z 2 3 4 5 FDMA upup-link 890.2+/-0.1MHz 0 1 1 890.2+/- Deliverable D03 BTS BSC PSTN/ISDN STAZIONE NON COLOCATA BTS BTS BTS HLR BSC MSC STAZIONE CONNESSIONICOLOCATA“TRIFOGLIO” VOCE/DATI 6 7 BTS 4.616 ms BSC CONNESSIONI PER STAZIONE COLOCATA ESERCIZIO E OMNIDIREZIONALE MANUTENZIONE Spaziatura di 200 KHz tra i canali (a) VLR OMC VERSO ALTRI MSC (b) Figura 1 - (a) schema di accesso multiplo GSM (b) architettura di rete sistema GSM Il GSM opera a 900 MHz su due semibande da 25 MHz, ciascuna con 124 canali spaziati di 200 KHz, su cui si trasmettono portanti modulate a 271Kbit/s. L’accesso è a divisione di tempo con 8 canali fisici per portante: in totale esistono quindi 992 canali fisici bidirezionali, su ciascuno dei quali si può trasmettere voce codificata a 13 Kbit/s, oppure due canali per fonia con voce codificata a velocità dimezzata. Con la divisione di tempo, oltre a permettere un aumento del numero di utenti per cella, si riduce notevolmente anche il costo della stazione base: il numero di ricetrasmettitori da installare si riduce di 8 volte, visto che con ognuno di essi si possono gestire 8 canali di traffico. Nel GSM, ad ogni cella non vengono assegnate tutte le risorse spettrali, ma solo un gruppo di canali; il numero di tali gruppi determina le dimensioni del cluster (insieme delle celle che nel complesso possono utilizzare tutte le risorse radio). Ogni cella servita da una stazione radiobase (BTS Base Transceiver Station) che mette a disposizione un insieme di ricetrasmettitori operanti su un gruppo di canali radio dedicati alla cella. Le BTS fanno capo ad un controllore di stazione (Base Station Controller, BSC) che ha funzioni di gestione e controllo delle risorse radio e di interfaccia verso la Centrale Radiomobile (Mobile service Switching Centre, MSC). Altre entità della rete GSM evidenziate in Figura 1(b) sono i registri HLR (Home Location Register e VLR (Visitor Location register) che contengono le informazioni caratterizzanti gli abbonati (residenti o ospiti) e l’OMC (Operation and Maintenance Centre) che ha il compito di garantire il corretto funzionamento del sistema radiomobile gestendo le funzioni relative all’esercizio di tutte le parti fisse della rete. Nel sistema GSM è anche prevista una tecnica di trasmissione a pacchetto attraverso il protocollo GPRS che consente un accesso più efficiente dalle reti radiomobili alle reti fisse dati a pacchetto (es. IP e X25). Questo nuovo protocollo richiede l'introduzione di due nuove entità di rete nella architettura del sistema GSM: il nodo di rete SGSN (serving GPRS support node) che gestisce le funzioni di mobilità e autenticazione del terminale e il nodo GGSN (gateway GPRS support node) che provvede alla gestione delle connessioni e all'accesso con reti esterne a pacchetto La velocità di trasmissione dei dati risulta maggiore rispetto a quella del GSM in quanto è possibile assegnare più slot allo stesso utente. Essendo tuttavia la modulazione ancora di tipo GMSK la velocità massima per canale radio è pari a 14.4 kb/sec per dati a commutazione di circuito e di 22.8 kbit/sec per trasmissione dati a pacchetto. Nel caso di dati a pacchetto la bit rate per time slot è di 14.4 kbit/sec e la bit rate massima qualora vengano assegnati tutti gli 8 time slot ad un servizio è pari a 14.4x8=115 kbit/sec. La trasmissione a pacchetto consente tuttavia di sfruttare al meglio le risorse spettrali disponibili ad esempio trasmettendo informazioni dati durante i periodi di inattività della voce. Questo protocollo è quindi particolarmente adatto al trasporto di frequenti piccoli volumi di traffico dati o di non frequenti elevati volumi di informazioni. 17 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 4.1.2 Il sistema UMTS Il sistema UMTS è in grado di offrire servizi multimediali interattivi per voce, dati e immagini superando i limiti della tecnologia GSM o dalle sue versioni più avanzate (GPRS e EDGE). A differenza del protocollo GPRS, nella definizione del sistema UMTS sono state individuate quattro diverse classi di qualità del servizio (o classi di traffico) aventi caratteristiche omogenee e caratterizzate da una opportuna combinazione degli attributi previsti per la QoS [9]: • Classe conversazionale • Classe streaming • Classe interattiva • Classe background Il parametro che distingue maggiormente le diverse classi è il requisito sul ritardo di trasferimento nella rete. Le prime due classi presentano vincoli molto stringenti sui ritardi di trasferimento e sono quindi adatte per trasportare traffico real time (voce, video) mentre le classi interattiva e background sono dedicate principalmente ad applicazioni internet, come web browsing, e-mail, telnet, FTP che presentano limiti sui ritardi meno stringenti mentre richiedono una maggiore integrità nella trasmissione e ricezione dei dati utilizzando migliori codifiche di canale e meccanismi di ritrasmissione dei dati corrotti. Ciascuna classe è definita da un set di parametri rappresentativi le cui molteplici combinazioni rendono possibile diversi livelli di QoS all'interno di una stessa classe. Tra questi parametri i più significativi sono la bit rate massima, la bit rate che può essere garantita, il ritardo di trasferimento end to end, la BER residua e l'eventuale priorità nella gestione di un traffico rispetto ad un altro. I ritardi si riferiscono alla somma dei ritardi nella Core Network (rete fissa) e nell'interfaccia radio e vengono rappresentati dal 95º percentile della distribuzione dei ritardi delle Service Data Unit (SDU) arrivate correttamente. Le applicazioni multimediali (videoconferenza, teledidattica, telemedicina, telelavoro) generano diversi tipi di traffico richiedendo quindi una opportuna combinazione delle classi di servizio descritte sopra. Ciascuna classe di servizio risulta, a sua volta, dalla combinazione di attributi elementari quali il ritardo di trasmissione, la BER residua e la probabilità di perdita delle SDU (Service Data Unit). FDMA (TACS) P F TDMA (GSM, DECT) ATDMA (UMTS) T P P - Potenza T - Tempo F - Frequenza F CDMA (UMTS) T P F T Figura 2: Tecniche di accesso multiplo per sistemi cellulari La tecnica di accesso multiplo scelta per i sistemi di terza generazione è di tipo CDMA (Figura 2) a divisione di codice, motivata dal vantaggio di poter evitare la pianificazione delle frequenze, in quanto è possibile riutilizzare, le stesse risorse in tutte le celle, grazie alla elevata resistenza nei confronti della interferenza, che viene distribuita equamente su tutti i canali. D'altra parte, il riuso unitario comporta come conseguenza una 18 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 maggiore complessità del sistema dovuta alla introduzione e gestione di nuove procedure quali il controllo di potenza, il soft-handover e il controllo degli accessi. La procedura di controllo di potenza è fondamentale per limitare i livelli di interferenza che, in un sistema CDMA, sono prevalentemente dovuti agli utenti interni alla cella. In assenza di questa procedura solo gli utenti mobili vicini alla stazione radiobase potrebbero comunicare con un livello di qualità accettabile. La scelta dei valori ottimali dei parametri del controllo di potenza (es: valore massimo e minimo della potenza, passo di incremento o decremento della potenza) rappresenta un aspetto cruciale che influenzerà le prestazioni dei sistemi di terza generazione. misura connessione BTS 1 misura connessione BTS 2 Soft Handover BTS 1 BTS 2 Hard Handover Figura 3 - Confronto tra le procedure di Soft Handover e Hard Handover La tecnica di soft-handover (Figura 3) è stata sviluppata per i sistemi CDMA per limitare i livelli di interferenza generati da utenti che si trovano in una zona coperta da due o più celle. In questo caso se il controllo di potenza fosse controllato da una sola stazione base, l'utente mobile potrebbe interferire notevolmente gli utenti nelle celle adiacenti. La tecnica di soft-handover (Figura 3) consente di garantire ad un utente mobile, che sta passando in una zona di copertura di più celle, di essere temporaneamente collegato a due o più stazioni basi che effettuano contemporaneamente il controllo di potenza; in tal modo si riduce anche la possibilità che la comunicazione venga interrotta migliorando la qualità del collegamento. L’interfaccia radio UMTS include sia la modalità FDD che si basa su uno schema DS-CDMA (Direct Sequence CDMA) che la TDD dove la tecnica di accesso multiplo è a divisione di codice e di tempo. In entrambi i casi la chip rate è di 3.84 Mchip/sec, l’ampiezza di banda nominale per ogni canale è di 5 MHz, la durata della trama di 10 ms e il numero di time slot per trama pari a 15, ciascuno costituito da un numero di simboli variabile a seconda della velocità di cifra del servizio da trasmettere. Un simbolo è l’elemento di informazione dopo la codifica di canale; ognuno di questi è moltiplicato per un numero di chip pari allo spreading factor del servizio da trasmettere, in modo da ottenere il valore costante di 2560 chip per slot. Il numero di bit per ogni slot è 10*2k dove k = 0/6. k è a sua volta legato allo spreading factor (SF) dalla relazione SF = 256/2k = Gp = Br/Rc (Gp: Guadagno di processo; Br: bit-rate; Rc: ritmo di chip); pertanto SF può variare da 16 Kb/s (per k=0) a 1024 Kb/s (per k=6). A causa dell’utilizzo di SF diversi, un canale di una stessa connessione possono avere bit-rate diverse. La porzione di spettro disponibile è suddivisa in una parte “simmetrica” ed in una “asimmetrica”. La prima è idealmente suddivisa in due semibande di 60 MHz ciascuna: • 1920÷1980 MHz per la tratta mobile-base; • 2110÷2170 MHz per la tratta base-mobile. Questa segmentazione in due semibande è un’esigenza della modalità FDD che come noto richiede due portanti, una per up-link e una per down-link. 19 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 La parte asimmetrica è invece individuata in una porzione di spettro pari a 35 MHz: • 1900÷1920 MHz; • 2010÷2025 MHz. è destinata a sistemi operanti in modalità TDD, che come noto gestiscono il traffico up-link e down-link nella stessa banda di frequenza. Le bande simmetriche 1980÷2010 MHz e 2170÷2200 MHz sono riservate al segmento satellitare (Satellite UMTS) rispettivamente per up-link e down-link. La tecnica FDD che consente operazioni simultanee di trasmissione e ricezione grazie alla separazione in frequenza nei due sensi del collegamento si presta particolarmente alla trasmissione di servizi di tipo simmetrico, dove la bit-rate nei due sensi è uguale. La tecnica TDD in cui le fasi di trasmissione e ricezione sono distinte nel tempo si presta meglio per traffico di tipo asimmetrico. 4.1.3 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Nell’ottica di ottimizzare il modo di trasferimento dati a pacchetto, il passo successivo nell’evoluzione dell’accesso 3G si è focalizzato sul raggiungimento di una maggiore bit-rate sia nella tratta di uplink e sia nella tratta di downlink (oltre che a una più efficiente utilizzazione delle risorse): in questo senso, le Release 5 e 6 (successive alla Release 4 che conferma l’accesso WCDMA nella Release 99 dell’UMTS) mirano a consentire un aumento del ritmo di trasmissione, nella banda a 5MHz, rispettivamente fino a 14.4Mbps nella tratta di downlink e fino a 5.76Mbps nella tratta di uplink; si parla rispettivamente di tecnica HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) e di tecnica HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). L’insieme delle due è l’HSPA. Mentre in HSUPA ci si avvale di un canale aggiuntivo dedicato chiamato E-DCH (EnhancedDedicated Channel), in HSDPA si aggiunge ai canali dedicati un canale condiviso tra tutti gli utenti attivi chiamato HSDSCH (High Speed-Downlink Shared Channel): tale condivisione avviene sia nel dominio dei tempi e sia nel dominio dei codici. Un’ulteriore evoluzione ha portato a definire nella Release 7 l’HSPA+, che consente di raggiungere i 21.6Mbps in downlink e i 12Mbps in uplink. Il nuovo canale prevede l’adattamento veloce del collegamento (Fast Link Adaptation) alle condizioni assunte dal canale radio istante per istante: in tal modo si adottano ritmi di codifica e ordini di modulazione sempre minori al peggiorare delle condizioni del canale (viceversa al migliorare di tali condizioni) e si fronteggia efficacemente il fading da cammini multipli, fonte primaria di distorsione dei segnali. Tale adattamento lascia invariata la potenza in trasmissione, avviene ogni 2ms ed è più efficace del classico controllo di potenza in termini di efficienza d’uso delle risorse; ad esempio si potrebbe pensare di passare da una modulazione QPSK ad una modulazione 16QAM se migliora, in termini di rapporto segnale/rumore, la qualità del collegamento. Il canale di trasporto HSDSCH viene mappato nel relativo canale fisico HSPDSCH (High Speed-Physical Downlink Shared Channel) il quale utilizza uno o più codici di canalizzazione, spreading factor pari a 16 e asse temporale strutturato in tre sottotrame all’interno dello slot da 2ms: quest’ultimo è quindi l’Intervallo del Tempo di Trasmissione (TTI) che, a differenza dei 10ms di durata della trama in UMTS, consente maggiore velocità nell’adattamento alle condizioni del canale radio e minori tempi di trasferimento. Allo scopo di aumentare ulteriormente bit-rate del collegamento e l’efficienza nell’uso delle risorse, l’algoritmo di scheduling decide quanti codici allocare in ogni TTI al singolo utente e, per ogni utente, l’ordine della modulazione. Esistono politiche di scheduling che mirano a massimizzare le prestazioni di rete, servendo prioritariamente gli utenti con le più favorevoli condizioni di canale, e politiche “fair” che tendono invece a mitigare le diverse condizioni di canale degli utenti concedendo in proporzione più risorse agli utenti che non possono sfruttare le modulazioni più spinte. In Figura 4 è mostrata la tabella di lavoro di uno scheduler che può disporre di 8 codici di canalizzazione. 20 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Lo standard prevede l’uso di un massimo di 15 codici di spreading per cella; quindi, ad esempio, nel caso di modulazione 16QAM, essendo la symbol-rate pari a 3.84Mbaud/s e lo spreading factor pari a 16, tenendo conto che ogni simbolo trasporta 4 bit e assumendo ritmo di codifica CR=1 (nessuna codifica) e l’impiego in un TTI di tutti e 15 i codici disponibili, si ottiene la massima bit-rate disponibile pari a 14.4 Mbps come: (3.84/16)x4x15/CR=14.4Mbps. Figura 4 - Possibile tabella di lavoro per uno scheduler. Ogni colore diverso identifica un utente diverso. Inoltre, in generale il canale HS-DSCH usufruisce della potenza non utilizzata dai canali dedicati: è solo dopo aver servito questi ultimi che gli si assegna la potenza rimanente fino al massimo della potenza disponibile nella cella; ciò si può vedere in Figura 5. Sono poi adottate procedure di Load Control, per ottimizzare la gestione della potenza tra i diversi servizi, utilizzando soglie per regolare la disponibilità di potenza tra canali dedicati e canali HS-DSCH, considerando anche la tipologia dei servizi (real-time o non real-time). Infine, i codici tra di loro ortogonali risentono dei cammini multipli e della dispersione che caratterizzano il canale radio, producendo contributi di interferenza intracella non trascurabili: l’utilizzo di terminali evoluti che implementano la diversità in ricezione (rake-receiver) possono limitare tali contributi interferenziali interacella. 4.1.4 LTE (Long Term Evolution) LTE (Long Term Evolution) è la tecnologia per sistemi di telefonia cellulare evoluti rispetto alla terza generazione ed è definita all’interno della Release 8 di 3GPP: essa assicura la coesistenza con gli standard GSM ed UMTS e una bit-rate di 50Mbps in uplink e di 100Mbps in downlink su di una banda di 20MHz. Inoltre garantisce bassi tempi di latenza nell’accesso alla rete radio (5ms), mantenimento della connettività per velocità del mobile fino a 350Km/h, efficienza spettrale maggiore di 3-4 volte rispetto a HSPA e raggi di copertura dell’ordine delle decine di chilometri. 21 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Figura 5 - Utilizzo della potenza in cella. LTE prevede l’uso di modulazioni QPSK, 16QAM e 64QAM (nell’ambito della Link Adaptation), flessibilità della banda con valori possibili di 1.25, 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz, tecniche MIMO (Multiple Input Multiple Output) fino a 4x4; inoltre grazie all’accesso radio di tipo OFDMA (Orthogonal Frequency Multiple Access) in downink e SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) in uplink, si riesce a garantire l’ortogonalità tra sottoportanti e quindi l’assenza di interferenza interna alla cella. Per quanto riguarda invece l’interferenza intercella, dovuta al riuso unitario delle risorse, essa può essere limitata configurando opportunamente i valori di potenza di diversi PRB (Physical Resource Block), cioè della risorsa elementare allocabile all’utente. Figura 6 - Esempio di multiplazione degli utenti. 22 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Per quanto riguarda la multiplazione degli utenti, essa avviene sia nel tempo che in frequenza (su blocchi di PRB diversi), allocando all’utente, in un certo istante, ad esempio, le risorse con qualità migliore (che massimizzano per esso il rapporto C/I) e adattando di conseguenza l’ordine della modulazione (Figura 6); non è esclusa però l’adozione di algoritmi di scheduling “fair”, come il Proportional Fair e il Round Robin, indipendentemente dal rapporto C/I realizzato. Gli algoritmi di schedulino, quindi, influenzano direttamente sul throughput complessivo della cella e degli utenti e sulla QoS (Quality of Service) delle diverse classi di servizio. Ritornando alle tecniche multi portante, si deve anzitutto sottolineare che Anzitutto, la motivazione sono in grado di controbattere efficacemente il fenomeno dei cammini multipli, fonte dello spreading dei ritardi e della distorsione del segnale trasmesso; inoltre a differenza dell’accesso CDMA, si ha più di una portante a sostegno di una larga banda di frequenza. Come detto, nel downlink l’accesso alla risorsa radio è OFDMA, con sottoportanti tra di loro ortogonali e distanziate di 15KHz (Figura 7): se il numero di sottoportanti assegnate ad un utente dallo scheduler è N, il flusso di dati sulla singola sottoportante è 1/N volte il flusso originario. Successivamente ogni simbolo (che comprende più bit) viene mappato su una sottoportante: tale operazione può essere vista come una trasformazione dal dominio della frequenza al dominio del tempo, e quindi effettuabile con una IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), che fornisce in uscita una sequenza temporale di N elementi; il segnale viene infine modulato a radiofrequenza, amplificato e trasmesso. In ricezione il segnale ricevuto viene trattato in maniera duale: si avrà quindi una FFT (Fast Fourier Transform) dalla quale si riottenono, al variare della frequenza, le ampiezze dei simboli. In uplink l’accesso è di tipo SC-FDMA. Infatti l’OFDMA ha bisogno della linearità dell’amplificatore in trasmissione, il quale però presenta bassi valori di efficienza, il che è in contrasto con la minimizzazione del consumo delle batterie del terminale mobile: con la tecnologia d’accesso SC-FDMA migliora tale efficienza. Si parla di single-carrier (portante singola) perché nella trasmissione in uplink si effettua sia la FFT e sia la IFFT: tali trasformazioni reciproche si annullano e quindi il sistema di modulazione equivale ad un modulatore di una singola portante. In LTE la durata del simbolo OFDM vale 1/15KHz = 66.67µs, mentre il valore del prefisso ciclico arriva ad un massimo di 16.67 µs nel caso di ambienti sfavorevoli (deve essere comunque maggiore del massimo valore di delay-spread); inoltre maggiore è la larghezza di banda disponibile e maggiori sono il numero di sotto-portanti assegnate all’utente e la dimensione della FFT. Tuttavia alcune portanti vengono utilizzate per l’inserimento di simboli pilota che non portano dati d’utente ma servono al ricevitore per sincronizzarsi ai vari parametri del sistema. Figura 7 - Rappresentazione delle portanti nell’accesso OFDMA. Si definisce PRB (Physical Resource Block) una combinazione di sotto-portanti e di simboli OFDM: la più piccola aggregazione di sotto-portanti e di simboli è chiamata slot e contiene 12 sotto-portanti e un numero di simboli/sotto-portante che è uguale a 7 nel caso di prefisso ciclico di durata 4.7 µs e a 6 se la durata del 23 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 prefisso ciclico è di 16.67 µs; in ognuno di questi due casi la durata dello slot è di 0.5ms. Due slot sono poi raggruppati in una sotto-trama , la cui durata uguale a 1ms, rappresenta il minimo intervallo di trasmissione (TTI – Transmission Time Interval). L’aggregazione di 12 sotto-portanti dà luogo a un blocco con larghezza di banda uguale a 12 x 15kHz = 180kHz; dato che la larghezza di banda totale utilizzata in LTE (ad esempio 10 MHz) è molto maggiore, molti blocchi devono essere trasferiti in parallelo. In conclusione la più piccola quantità di risorse che può essere assegnata ad un utente in un certo istante è, sull’asse dei tempi, una sotto-trama e, sull’asse delle frequenze, 12 sotto-portanti. Se si desidera un aumento di risorse, è necessario concatenare vari blocchi di risorse sia in frequenza che nel tempo. Quindi, avendo a disposizione una banda di 20MHz e cioè l’equivalente di 1200 portanti, assumendo modulazione 64QAM (6 bit per ogni simbolo) e prefisso ciclico di 4.7µs si ottiene la massima bit-rate come: 1/(66.67+4.7) µs x 6 x 1200=100.88Mbps. Infine, la tecnica MIMO (Multiple Input Multiple Output, ovvero l’adozione di antenne multiple in trasmissione e in ricezione) è utilizzata solo per trasferimenti in downlink, mentre non è utilizzata in uplink: questa differenzazione è sostanzialmente determinata dall’assenza di un vincolo stringente sulla potenza emessa nel caso downlink e dalla presenza di questo vincolo nel caso uplink. Quando i canali MIMO sono separati uno dall’altro, una soluzione 2x2 può raddoppiare il ritmo binario, la 4x4 lo può quadruplicare, ma una completa separazione delle antenne è una condizione solo ideale e l’incremento della bit-rate è decisamente più contenuto in condizioni meno favorevoli. L’LTE Advanced è uno standard preliminare per radiocomunicazioni mobili, formalmente candidato all’ITU-T come un sistema 4G. E' standardizzato dal 3rd Generation Partnership Project (3GPP) come un miglioramento in termini di prestazioni e un’evoluzione dello standard del 3GPP Long Term Evolution (LTE). Lo standard LTE Advanced si propone di raggiungere velocità di trasmissione fino ad 1 Gbit/s con una larghezza di banda di 100 MHz, larghezza di banda che può essere ottenuta affasciando porzioni di banda anche a frequenze diverse. La rete dell’LTE Advanced è una rete ALL-IP, che migliora capacità, copertura, tempi di latenza e in generale fornisce prestazioni molto elevate sfruttando reti eterogenee con un mix di macrocelle e celle a bassa potenza come pico-celle e femto-celle, spostando, quindi, l’intelligenza della rete più vicina al cliente, dove devono essere prese le decisioni se i tempi di latenza devono essere contenuti. 4.1.5 Evoluzione dei terminali con le reti In questo paragrafo viene fornita una sintetica panoramica dell’evoluzione dei terminali radiomobili a partire da quelli GSM fino ai terminali 3G e 4G con particolare attenzione alle nuove capacità trasmissive per servizi dati. I terminali GSM in grado di operare nelle reti radiomobili di seconda generazione (GSM 900 e 1800) sono ancora largamente diffusi nel mercato e utilizzati da una considerevole percentuale di utenti. I servizi maggiormente utilizzati da questi terminali sono la voce e il servizio dati SMS mentre le capacità trasmissive limitate della rete GSM non consentono un uso intensivo di servizi dati di tipo internet. Anche facendo riferimento al GPRS che prevede la trasmissione dati a pacchetto la bit rate per time slot è di 14.4 kbit/sec e la bit rate massima qualora vengano assegnati tutti gli 8 time slot ad un servizio è pari a 14.4x8=115 kbit/sec. La crescita e diffusione dell’uso dei terminali mobili e in parallelo la sviluppo di applicazioni di tipo internet ha evidenziato sempre più la necessità di potenziare le capacità di accesso wireless ad internet. Le reti cellulari 3G di terza generazione (UMTS, HSDPA, HSPA, HSPA+) hanno consentito un crescente aumento del traffico e delle velocità trasmissive per la trasmissione dati. Attualmente le reti HSDPA supportano velocità trasmissive in downlink di 1.8, 3.6, 7.2 e 14.0 Mbit/s. Con la Release 9 dello standard 3GPP che prevede la versione HSPA+ possono essere raggiunte velocità di 42 Mbit/s in downlink. Ovviamente le capacità trasmissive realmente ottenibili con i terminali UMTS dipendono anche dalle condizioni di traffico e dalla velocità dell’utente mobile. 24 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 La maggiore velocità di connessione dati delle reti 3G ha dato una forte spinta verso l’evoluzione tecnologica dei terminali. Le industrie manifatturiere hanno prodotto terminali 3G con nuove funzionalità (es. navigatore GPS) e sviluppo di applicazioni di tipo internet per gestione di contenuti anche di tipo multimediale. I terminali UMTS possono essere in grado di operare solamente nella rete 3G o anche in quella 2G, in quest’ultimo caso si tratta di terminali multistandard di tipo UMTS/GSM. Alla fine del 2007 il numero di utenti che utilizzano terminali 3G nel mondo risulta circa pari al 9% e la tendenza generale del mercato per nuove attivazioni è quella di scegliere terminali mobili 3G. Nella seguente Tabella 3 si mostra un confronto dei data- rate massimi teorici per cella ottenibili per i sistemi UMTS e HSPA assumendo come banda di riferimento a 5 MHz. Tabella 3 - Data- rate teorici massimi per cella per i sistemi UMTS e HSPA (larghezza di banda: 5 MHz) Le reti cellulari 4G di futura generazione in fase di sviluppo differiranno da quelle 3G per la particolarità di eliminare la trasmissione a circuito tipica per servizi voce, implementando una rete solamente di tipo IP. In tal modo anche le chiamate vocali saranno trattate come servizi streaming di tipo audio utilizzando la commutazione a pacchetto attraverso il VoIP. L’implementazione di una rete 4G comporterà la sostituzione delle infrastruttute di reti 2G e 3G esistenti e fornirà una infrastruttura di rete all-IP per voce, dati e video con velocità trasmissive molto superiori a quelle dei sistemi attuali. L’obiettivo delle reti 4G “Beyond 3G” è di fornire accesso mobile a banda larga con velocità fino a 100 Mbit/s per utenti caratterizzati da elevate velocità di spostamento (es. treni) e fino a 1 Gbit/s per dispositivi con limitata mobilità. Lo standard LTE previsto come sistema 4G può offrire bit rate di picco di 326.4 Mbit/s. Nella tabella sopra si mostrano le bit rate per LTE in downlink e uplink assumendo una banda di 20 MHz. 4.1.6 Classificazione dei terminali Una prima possibile classificazione dei terminali si può basare sullo standard di rete dove il terminale può operare e sulla banda di utilizzo. Ad esempio i terminali “multi-standard” possono utilizzare diverse reti cellulari (es. GSM e UMTS) mentre i terminali multi-banda (dual, tri o quad band) possono operare su più 25 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 bande di frequenza differenti in quanto lo stesso sistema cellulare può utilizzare bande di frequenza diverse (es. GSM 900 e GSM 1800, UMTS 2100 e refarming UMTS 900). Una primo livello di classificazione dei terminali può quindi basarsi sullo standard supportato: • terminali solo GSM • terminali solo UMTS • terminali multistandard GSM-UMTS Un secondo livello di classificazione dei terminali si riferisce alla banda o alle possibili bande di esercizio: single band (es. 900 MHz) dual band (es. 900 – 1800 MHz) tri-band (es. 900 – 1800 – 2000 MHz) quad band (es. 800 – 900 – 1800 – 2000 MHz) Dalla combinazione delle due classi (tipologia di standard e banda) si possono ottenere diverse tipologie di terminali. Ovviamente i terminali multistandard sono necessariamente anche multibanda e risultano più voluminosi a causa della maggiore complessità legata all’integrazione delle diverse componenti hardware che non sempre è possibile condividere tra i diversi standard. I terminali multistandard e multi banda consentono di sfruttare al meglio le prestazioni di una rete cellulare gerarchica dove la copertura e la qualità del servizio migliori possono essere ottenute con reti diverse (es. GSM 900 o UMTS 2100) a seconda della posizione geografica dell’utente. 4.1.7 Terminali per servizi dati: chiavette o PC per accesso a internet Nonostante i cellulari “handheld” radiomobili consentono da tempo l’accesso alle reti dati quali internet, la mancanza di una copertura uniforme della rete 3G con buona qualità in tutto il territorio limita le capacità intrinseche dei terminali. Si evidenzia che un grande successo hanno avuto recentemente le chiavette UMTS per accesso a internet collegate alla porta USB del Personal Computer. Questa tipologia di terminali è funzionale specificamente a servizi cellulari solo per accesso dati ed è caratterizzata da una scarsa mobilità del terminale e dalla presenza del terminale spesso in ambienti interni caratterizzati da una peggiore copertura del servizio a causa della attenuazione del segnale radio dovuta al “penetration loss”. Un’altra classe di dispositivi per accesso a servizi dati sono i “compact wireless router” che rendono possibile la connettività internet delle reti 3G contemporaneamente a diversi PC attraverso il WiFi invece di un singolo PC alla volta attraverso le chiavette UMTS. Infine i produttori di PC hanno iniziato ad integrare le funzioni di accesso dati alla rete radiomobile all’interno dei laptop consentendo di inserire direttamente la SIM card all’interno di questa tipologia di computer denominati “netbooks”. Altre tipologie di PC (es. E-readers, iPad tablet) si stanno evolvendo verso l’integrazione dei moduli per accesso wireless a internet. Smartphone Lo smartphone è un terminale mobile che offre potenzialità computazionali e di connettività avanzate rispetto ai terminali cellulari di tipo tradizionale. Per quanto riguarda le capacità computazionali, una funzionalità importante degli smartphone da sottolineare è dovuta alla possibilità di installare ulteriori programmi applicativi che possono essere sviluppati sia dal produttore dello smartphone che dallo stesso utilizzatore o da terze parti. Il sistema operativo più diffuso per smartphone è il Symbian OS anche se si stanno sviluppando nuovi sistemi quali Android e iOS che si basano su Linux e Unix. 26 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Oggi esistono smartphone con connessione GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA e che utilizzano le tecnologie Bluetooth e Wi-Fi per le comunicazioni con altri dispositivi. 4.1.8 Le reti: multistrato oppure bouquet L’architettura di una rete cellulare può essere molto complessa e si differenzia sensibilmente a seconda dell’operatore radiomobile di interesse. I parametri principali che consentono di stratificare una rete cellulare sono: • dimensioni delle celle • standard utilizzati • bande utilizzate questi fattori possono essere utilizzati singolarmente o in combinazione tra di loro per soddisfare i requisiti di copertura, servizio e traffico di una particolare rete radiomobile. Un primo esempio di architettura multistrato del medesimo standard (GSM, UMTS, LTE) è schematizzato nella seguente Figura 8. Figura 8 - Copertura cellulare stratificata La stratificazione in celle di dimensione diversa per uno stesso standard è dovuta alla necessità di aumentare la capacità del sistema nelle aree ad elevata intensità di traffico (ad esempio microcelle per servire aree ad alto traffico: centri commerciali, aeroporti, stazioni ferroviarie, zone fieristiche….) o di servire con miglior grado di copertura ambienti indoor (ad esempio mediante l’installazione di picocelle). Questo tipo di stratificazione comporta una architettura della rete gerarchica, dove il traffico in eccesso, che non riesce ad essere servito dalle celle più piccole viene raccolte dalle celle di ordine superiore (ad esempio il traffico che non riesce ad essere servito dalle microcelle, poiché il numero di canali disponibili è limitato, viene raccolto dalle macro-celle sovrastanti). L’uso di celle di piccole dimensioni (microcelle e picocelle) consente di fornire all’utente bit-rate più elevate in condizioni di ridotta mobilità. Un altro esempio di architettura stratificata, orienta alla diversificazione del servizio in diverse aree geografiche (ad esempio zona urbana o zona rurale), prevede un sistema costituito da diversi standard (architettura muiltirete), in cui la rete complessiva, generalmente relativa ad un singolo operatore, è formata 27 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 da diverse sottoreti specializzate (es. LTE o UMTS/HSPA in ambiente urbano denso, GSM in ambiente rurale, etc.). In Figura 9 si mostra un esempio qualitativo di architettura multirete. Figura 9 - Esempio di architettura multistandard. In questo tipo di architettura multistandard esistono aree geografiche servite contemporaneamente da standard diversi. Per esempio l’area in arancione di figura è servita da sistemi GSM e UMTS, mentre l’area in giallo prevede solamente lo standard GSM. Si è anche evidenziata una possibile area di copertura GSM/UMTS/LTE, in fase di sviluppo, dove si prevede che la copertura LTE sarà realizzata inizialmente nelle zone densamente urbane (centro dell’area arancione). L’architettura multistandard può anche prevedere reti multistandard disgiunte geograficamente (ad esempio in una zona si prevede di realizzare solo lo standard UMTS, mentre in un’altra zona, disgiunta dalla precedente si prevede di realizzare solo standard GSM). Per le architetture multirete è in ogni caso previsto l’uso di terminali multistandard e multibanda in grado di collegarsi alla rete più opportuna in funzione del servizio richiesto e della posizione geografica del mobile. Per le architetture multistrato invece è necessario prevedere l’uso da parte dell’utente di terminali multi banda, poiché lo stesso standard può operare su bande diverse (ad esempio GSM 900 e GSM 1800). 28 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 4.2 Le bande di frequenza 4.2.1 GSM 900/1800, UMTS 2100/900/800, LTE: 2600/2100/900/800 Se si considera l’allocazione attuale dello spettro, relativamente ai sistemi radiomobili, considerando sia i sistemi attuali, sia l’allocazione prevista per l’LTE si ottiene l’occupazione mostrata in Figura 10. Figura 10 - Attuale allocazione dello spettro ai sistemi radiomobili (sia per sistemi in esercizio che prevista per LTE) In particolare il GSM può operare nelle bande 900 e 1800 MHZ, l’UMTS, standardizzato per i 2100 MHz potrà essere utilizzato nella banda dei 900 e degli 800 MHz; per l’LTE infine si prevede un’allocazione nella banda dei 2600 MHz, ma anche dei 900 e degli 800 MHz. Il tema della gestione dello spettro radio è venuto acquisendo in questi ultimi anni un’importanza crescente, anche grazie alla crescente importanza delle comunicazioni wireless nello sviluppo economico dei paesi. Negli ultimi anni è aumentata la consapevolezza che lo spettro radio è in tutto e per tutto assimilabile ad una risorsa naturale, dove si riscontra un’elevata richiesta da parte degli operatori economici contro una penuria nella sua effettiva disponibilità sul mercato. Inoltre si è notato che a fronte di alcune porzioni di spettro largamente “sovraffollate” e con denso utilizzo (ad esempio, su quasi tutto il territorio nazionale, le bande assegnate per il servizio mobile evidenziano la presenza di segnali e quindi il loro effettivo utilizzo), nella stragrande maggioranza del rimanente spettro risulta difficile evidenziare la presenza di alcun segnale. La gestione dello spettro radio presenta quindi larghi spazi di miglioramento, anche in virtù del fatto che nuove tecnologie richiederanno, al fine di aumentare la velocità di trasmissione, bande sempre più ampie. In questo contesto e al fine di rispondere alla tendenza alla convergenza dei servizi e alla necessità di un rapido accesso allo spettro di nuove tecnologie a livello europeo è stato approvato il concetto di WAPECS (Wireless Access Policy for Electronic Communications Services). Il parere dell’RSPG (Radio Spectrum Policy Group) sui WAPECS è di novembre 2005 e tale concetto è stato definito per aumentare la flessibilità e migliorare l'armonizzazione dello spettro a livello europeo, mantenendo un quadro normativo stabile e affidabile. Il concetto di WAPECS serve per garantire un coerente schema di autorizzazione, mantenendo il principio di neutralità tecnologica e , ove possibile, di neutralità dei servizi, fatte salve gli eventuali obblighi di fornire servizi specifici in determinate bande di frequenza (come ad esempio il servizio broadcast o i servizi di emergenza). Con lo scopo di perseguire un rinnovamento comune delle politiche di gestione dello spettro la Commissione Europea vuole rimuovere tutti i vincoli regolamentari non necessari,utilizzando lo spettro in conformità ai principi di neutralità tecnologica e dei servizi, garantendo un mercato dello spettro flessibile, guidato dalle esigenze di mercato e che promuova i servizi paneuropei. 29 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 A questo proposito con la Comunicazione COM(2007) 50 del 8 febbraio 2007 “Maggiore flessibilità per un accesso rapido allo spettro radio riservato alle comunicazioni elettroniche senza fili” [10], la Commissione individua un insieme di bande da esaminare per attuare una maggiore flessibilità. Viene individuato un gruppo di bande in cui rivedere le restrizioni attualmente in vigore e di individuare misure per migliorare la coerenza delle condizioni di autorizzazione. Tali bande sono riportate nella Tabella 4. Tabella 4 – Bande in cui attuare una maggiore flessibilità (Wapecs) Banda di potenziale riuso Range di Frequenza [MHz] Totale [MHz] Digital dividend TV 470 – 862 392 GSM Mobile 880 – 915 / 925 – 960 PCS 1710 – 1785/1805 – 1880 220 UMTS/3G 1900-1980 / 2010-2025 / 2110 – 2170 155 Banda “2.6GHz” IMT 2000 2500 – 2690 190 WBA 3400 – 3800 400 4.2.2 Trend verso frequenze più basse Una delle bande indicate dall’RSPG per applicare il concetto di WAPECS è la cosiddetta banda del “digital dividend”, ovvero la banda che può essere resa disponibile dopo il passaggio della televisione analogica a quella digitale. Il parere dell’RSPG sul digital dividend è di febbraio 2007: l’intera Unione Europea beneficia dell'uso del dividendo digitale per applicazioni mobili (compreso l’uplink) in una sottobanda armonizzata delle UHF. L'armonizzazione è realizzabile sia dal punto di vista regolamentare che tecnico, e non è obbligatoria a livello UE. Vengono anche fornite indicazioni minime sull’ampiezza della banda che dovrebbe includere come minimo i canali 62-69 (banda 790-870 MHz). L'ultima conferenza mondiale delle radiocomunicazioni (WRC-07) ha assegnato su una base di co-primario la parte superiore della banda UHF (790-862 MHz) per servizi di telefonia mobile in Europa a partire dal 2015, e ha consentito ad alcuni paesi di utilizzare questa dotazione, prima del 2015, a condizione che ci sia un coordinamento tecnico con altri paesi. 30 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 4.2.3 Refarming delle bande esistenti Un altro insieme di bande indicate dall’RSPG per applicare il concetto di WAPECS è costituito dalle bande attualmente assegnate al sistema radiomobile GSM, sia nella banda dei 900 MHZ che nella banda dei 1800 MHz: 880 – 915 MHz UpLink / 925 – 960 MHz (DownLink) e 1710 – 1785 (UpLink) /1805 – 1880 (DownLink) Si parla in questo casi di refarming delle bande a 900MHz e a 1800 MHz; il refarming è collegato alla abrogazione della Direttiva GSM del 1987 (87/372/CEE), che a suo tempo ha contribuito al successo del GSM, ma che oggi non permette l’utilizzo delle frequenze destinate al GSM con standard diversi. La Direttiva 2009/114/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 16 settembre 2009 reca quindi la modifica della direttiva 87/372/CEE del Consiglio sulle bande di frequenza da assegnare per l’introduzione coordinata del servizio pubblico digitale cellulare paneuropeo di radiotelefonia mobile terrestre nella Comunità e consente di utilizzare tali bande per fare servizio radiomobile con standard UMTS. Il refarming della banda a 900 MHz prevede quindi un piano di riallocazione e razionalizzazione dell’intera banda GSM900 ed in Italia si concluderà alla data del 31 dicembre 2013. Le implicazioni tecniche e tecnologiche del refarming sono numerose, sia relativamente alla convergenza fisso-mobile, sia relativamente ai minori costi per il deployment delle reti, a causa della minore attenuazione del segnale a frequenze più basse e della migliore penetrazione indoor e non si deve prescindere dal considerare gli obiettivi principali per la compatibilità e la coesistenza di tecnologie con diversa larghezza di banda e l’impatto dei diversi sistemi sulle bande adiacenti. Un’ultima considerazione relativamente al refarming delle bande deve essere fatta in relazione alla diffusione dei diversi terminali tra gli utenti: i terminali solo 2G sono ancora quelli maggiormente diffusi e quindi è necessario tenere presente di tutti quegli utenti che devono continuare ad avere servizio 2G nelle bande a 900 MHz. 4.2.4 Implicazioni per QoS La propagazione radio dipende dalla banda impiegata: in bande differenti le potenze utilizzate per garantire la copertura sono diverse. Inoltre anche la penetrazione all’interno degli edifici è molto dipendente dalla frequenza utilizzata: più la frequenza è elevata, meno il segnale penetra all’interno degli edifici. Queste semplici considerazioni legate alla propagazione del segnale hanno ovviamente implicazioni sia sul deployment della rete (numero di SRB necessarie per coprire una certa area) sia sulla qualità dei servizi offerti. 4.2.5 Utilità delle bande a frequenze minori È noto che nei sistemi radiomobili, dove le antenne utilizzabili sono o moderatamente direttive (stazioni radiobase), o per nulla direttive (apparato mobile), le frequenze dell’ordine di grandezza delle centinaia di MHz sono assai preziose quando si ha l’obiettivo di realizzare aree di copertura per emittente di buone dimensioni. Le bande GSM nell’intorno dei 900 MHz e al di sotto risultano quindi particolarmente pregiate e, attraverso esse, è possibile avere una buona qualità di copertura anche senza un eccessivo numero di 31 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 stazioni radiobase. Le bande a frequenze più elevato (per esempio i 2.6 GHz o i 2.1 GHz) sono certamente utilizzabili con profitto, ma le loro caratteristiche di propagazione le rendono più adatte per celle di minori dimensioni ovvero per offrire al sistema la necessaria capacità. Questo fatto è già verificabile nelle ben note formule di Okumura-Hata [14] [15] che forniscono il valore medio della attenuazione in funzione della distanza. Ulteriori vantaggi si hanno poi se si considera che nelle città l’antenna della stazione radiobase illumina normalmente le parti più alte degli edifici. Per giungere al livello della strada il segnale deve discendere attraverso forme propagative particolari come riflessioni e diffrazioni sulle pareti degli edifici stessi. Anche da questo punto di vista le frequenze minori sono favorite. Infine in presenza di ostacoli rilevanti l’attenuazione per diffrazione è più ridotta a frequenze più basse a parità di ogni altra condizione. Tutte queste considerazioni fanno comprendere come una pianificazione di coperture basata su frequenze più basse si presenta più affidabile e di qualità mediamente migliore rispetto alla medesima a frequenze più elevate. La propagazione radio dipende infine, come noto, dalla banda impiegata: in bande differenti le potenze utilizzate per garantire la copertura sono diverse. Come detto precedentemente si possono ottenere indicazioni preliminari sulle diverse aree di copertura ottenibili a frequenze diverse anche applicando semplici modelli di propagazione, come il modello di Okumura-Hata (Figura 11). In una condizione estremamente semplificata in cui si consideri una sola stazione radiobase e utilizzando i parametri tipici di installazioni UMTS per quanto riguarda la sensibilità dei ricevitori, le potenze trasmesse e i guadagni utilizzati, e considerando una location probability al 95% nel caso outdoor e al 75% nel caso indoor, si ottiene, a parità di copertura outdoor, una riduzione del numero teorico di SRB di circa un fattore 4.3. Tale fattore di riduzione sale a 15 se si considera la copertura indoor. OUTDOOR INDOOR R800 / R2100 = 3.88 1.5 km 0.8 km 3.1 km 3.1 km R800 / R2100 = 2.06 Figura 11 – Variazione del raggio di cella con la frequenza (800/2100 MHz) e la collocazione del mobile 4.2.6 Penetrazione indoor È noto che oggi la maggior parte delle chiamate da terminale mobile sono originate all’interno di edifici. La copertura degli interni non è dunque più, come agli inizi dello sviluppo del radiomobile, un optional, ma 32 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 assume rilevanza strategica. Per raggiungere questo obiettivo è importante anche quella porzione di segnale che riesce ad entrare negli ambienti chiusi passando direttamente attraverso le pareti. Anche da questo punto di vista bande a frequenze minori sono più vantaggiate. Per dare una quantificazione della differenza al variare della frequenza delle perdite di penetrazione è necessario disporre di valori di permettività complessa a larga banda. In letteratura non è disponibile una caratterizzazione del medesimo materiale per le frequenze di interesse (da 300 MHz a 5 GHz) affidabile. Esistono valori, riportati in diversi articoli, non sempre congruenti e quindi probabilmente riferibili a materiali apparentemente identici ma in realtà differenti. Una prima indicazione di come la frequenza incida sul valore dell’attenuazione da penetrazione si può ottenere selezionando i valori di permettività complessa più attendibili tra quelli reperibili in letteratura, attraverso i quali si è poi proceduto allo studio elettromagnetico. I valori selezionati si riferiscono al cosiddetto “brick wall”, nonostante anche per questo materiale si siano riscontrate anomalie dipendenti dal grado di umidità. Quanto riportato nella Tabella 5 è comunque sufficientemente accurato per l’indagine. Tabella 5 - Parametri dielettrici Frequenza (GHz) 1 Brick Wall 1.8 2 2.4 5 5.8 ε’= 5.3 ε’= 4.5 ε’= 4.5 ε’= 4.3 ε’= 3.56 ε’= 3.3 ε’’= 0.25 ε’’= 0.25 ε’’= 0.25 ε’’= 0.3 ε’’= 0.34 ε’’= 0.34 Attraverso i valori della tabella si è effettuata la valutazione delle perdite di trasmissione per una parete di questo materiale spessa 25 cm con onda incidente normale. Nella Figura 12 sono riportati in forma grafica i risultati dell’analisi condotta, relativamente alle perdite di trasmissione per diversi valori di frequenza per una parete di mattoni di spessore 25 cm. 33 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Figura 12 - Perdite di trasmissione attraverso una parete piana di mattoni di 25 cm. Incidenza normale per onda piana uniforme. Nella successiva Figura 13 si è valutato in modo sintetico l’andamento, in funzione della frequenza, dei valori delle perdite per penetrazione per un muro di mattoni di 25 cm, con incidenza normale. Figura 13 - Andamento in funzione della frequenza delle perdite per penetrazione. Muro di mattoni di spessore 25 cm, con incidenza normale. Si può notare che l’andamento in funzione della frequenza evidenzia una crescita lineare in unità logaritmiche, il che rende conto del vantaggio che si ha nell’utilizzo di frequenze più basse. La pendenza della retta è attendibile perché ottenuta filtrando i valori anomali di permettività e dunque rappresenta una sorta di “best fit” sui valori sperimentali. La stima dell’errore che si compie nell’utilizzare i valori puntuali è stimabile intorno ai 2 dB. 4.3 Le problematiche QoS in relazione al panorama dei terminali Il variegato panorama di tipologie di terminali d’utente, sia in termini di bande accessibili che di standard utilizzati, come evidenziato nei precedenti paragrafi 4.1.5 - 4.1.7, rende più complesso individuare le informazioni sulla QoS che garantiscano al contempo completezza e facilità di consultazione, perché esse devono da un lato rispecchiare la qualità che può essere offerta dalla rete mobile e dall’altra parte cercare di avvicinarsi sufficientemente ad informazioni adeguate alle esigenze degli utenti finali. Fra queste due polarità, in qualche modo contrastanti ed opposte, si possono perciò andare ad abbozzare diversi approcci, che in qualche modo si avvicinano maggiormente o a quanto la rete può potenzialmente realizzare come sua prestazione ottimale oppure a quanto viene percepito dal generico utente con quella particolare tipologia di terminale che egli ha in uso. Ovviamente, nel fare questo tipo di operazione, non si intende in alcun modo tracciare delle tassonomie di tipo tecnologico sui terminali stessi; non si andranno cioè ad analizzare le prestazioni dei terminali in funzione delle loro scelte progettuali, indicando quali di esse producono le 34 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 prestazioni migliori o peggiori. Si sarà invece interessati a raggruppare all’interno della stessa categoria tutti quei terminali che detengono le stesse potenzialità in termini di banda accessibili e di standard utilizzati. A questo proposito, se si realizza una graduatoria fra le diverse categorie di terminali in termini di prestazioni per un certo KPI (es. throughput), con tutta probabilità la stessa graduatoria verrà mantenuta anche per quasi tutti gli altri KPI (es. delay, jitter, ecc..). L’unico aspetto che sicuramente non rispecchierà tale ordinamento sarà quello relativo alla copertura, in quanto da un lato i sistemi più datati sono quelli ovviamente associati ai migliori livelli di copertura (hanno avuto un tempo maggiore per svilupparsi ed espandersi), ma anche quelli più svantaggiati in riferimento agli altri KPI; d’altra parte, si è visto (4.2.2 4.2.3) come anche lo sviluppo delle allocazioni di bande ai servizi mobili non ha seguito uno sviluppo storico lineare, muovendosi ad esempio da frequenze più alte verso quelle più basse, ma è stato invece governato da criteri più di carattere politico-economico e da motivazioni ereditate da precedenti epoche storiche. Rimangono invece da precisare e da affrontare in altra sede le questioni riguardanti l’effettiva disponibilità spaziale e temporale di quei sistemi (intesi come standard tecnologici) e di quelle bande di frequenza. Anche se è presente la copertura, non è infatti assicurato che si abbia accesso alle risorse o che queste godano delle condizioni migliori per essere sfruttate. Si intende cioè qui tralasciare quegli aspetti che attengono alla gestione ed al grado di impegno delle risorse frequenziali (il carico della rete varia in modo ciclico fra le ore notturne e quelle di picco) nonché alla loro effettiva fruibilità (si è visto ad esempio nel paragrafo come il throughput vari in modo sostanziale in funzione della distanza fra stazione base e terminale d’utente, nonché alla collocazione geografica di quest’ultimo, indoor oppure outdoor, in ambiente urbano o rurale e così via). Su tali aspetti si ragionerà al momento della definizione degli scenari di misura: per i drive test, questi aspetti condizionano i percorsi da effettuare, gli orari in cui attuarli, la sua staticità o dinamicità, e così via; per gli agent mobili, invece, queste considerazioni influenzeranno i parametri o le grandezze da associare alla misura (ad esempio la posizione geografica o il momento della giornata, per mantenerci sugli aspetti appena visti) e che contribuiranno a meglio definire lo scenario in cui la misurazione dei KPI è stata effettuata. 4.3.1 QoS della rete e terminali: le prestazioni ottimali Il primo tipo di descrizione della QoS da associare ad una specifica rete mobile è quella che suppone di utilizzare quella certa tipologia di terminale che riesce a sfruttare al meglio ciò che la rete offre, sia in termini di bande su cui poter lavorare che di sistema (standard) disponibile. Come già illustrato nelle sezioni 4.1 e 4.2, di solito questo procedimento conduce a considerare da un lato i sistemi che adottano Standard o Release più recenti, dall’altro quelli che lavorano su bande operative a frequenze minori. Non sempre però queste due condizioni sono entrambe verificate e dunque è possibile che standard più recenti non siano ancora stati attivati nelle bande a frequenze più basse; in tal caso, si andrà a considerare quella configurazione di lavoro (intesa come coppia “standard/banda disponibile”) che offre le migliori prestazioni. Il vantaggio di tale approccio è che consente di individuare facilmente quali sono i valori limite che il generico utente può sperare di ottenere dalla rete mobile. Questo può essere utile nel momento in cui si deve ad esempio stabilire con quale tipologia di terminale realizzare i drive test. Nel caso di agent mobili, invece, se il loro numero è sufficientemente ampio, i risultati delle misure realizzate da queste tipologie di terminali dovrebbe mediamente fornire verifica concreta del fatto che ad essi corrispondano i livelli di qualità ottimali. Lo svantaggio principale risiede nel fatto che la percentuale di utenti che dispone di tali tipologie di terminali non è molto elevata e che perciò le informazioni fornite risultino di non immediata fruibilità da parte della platea più vasta di consumatori. 35 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 4.3.2 QoS della rete e terminali: le prestazioni medie per una tipologia di terminale Il secondo tipo di descrizione della QoS da associare ad una specifica rete mobile è quella che suppone di considerare una certa tipologia di terminale (non necessariamente quella che massimizza le prestazioni) e le corrispondenti prestazioni che la rete può fornire in termini di KPI. Il vantaggio di tale approccio è che consente di offrire all’utente in possesso di un terminale appartenente a quella certa tipologia di avere informazioni molto pertinenti alle sue esigenze. Naturalmente, in questo caso si può andare ad individuare opportunamente quale tipologia scegliere: ad esempio, la tipologia mediamente più rappresentativa del generico utente, oppure di una certa tipologia di servizi, oppure che ha registrato il maggior numero di acquisti nel periodo precedente, e così via. Inoltre, la realizzazione dei drive test può essere effettuata andando a scegliere specificatamente quella tipologia di terminale. Nel caso di agent mobili, invece, se il loro numero è sufficientemente ampio, i risultati delle misure realizzate da quella certa tipologia di terminali potrebbe mediamente fornire un’indicazione dei livelli di qualità corrispondenti offerti dalla rete mobile. Lo svantaggio principale risiede nel fatto che questo tipo di informazione può essere di relativamente scarso interesse per quella, spesso non esigua, percentuale di utenti che non dispone di quella stessa tipologia di terminali. 4.3.3 QoS della rete e terminali: le prestazioni medie per ogni tipologia di terminale Il terzo tipo di descrizione della QoS da associare ad una specifica rete mobile è quella che suppone di considerare non solo una certa tipologia di terminale e le corrispondenti prestazioni che la rete può fornire in termini di KPI, ma tutte quante le possibili tipologie. Si va perciò a completare i contenuti di una tabella dove nelle diverse righe figurano le possibili tipologie di terminali, mentre nelle colonne i già considerati KPI: al loro incrocio si inserirà il valore che il KPI assume per quella tipologia di terminali. Il vantaggio di tale approccio, rispetto ad esempio al precedente, è che consente di offrire al generico utente informazioni molto pertinenti alle sue esigenze, in quanto gli basterà rintracciare la tipologia di terminale in suo possesso ed avrà immediatamente un’indicazione di quanto mediamente la rete è in grado di offrirgli. Lo svantaggio principale risiede nel fatto che le possibili tipologie di terminali sono già al momento abbastanza numerose, ma potrebbero aumentare sia con il tempo sia con l’aumentare del numero di standard e (ancor più) delle bande assegnate. Si basti pensare ad esempio che nel caso dei drive test si dovrebbero effettuare le misure con un numero molto elevato di terminali, uno per ogni tipologia e per ogni rete mobile. Nel caso di agent mobili, invece, e sempre nell’ipotesi che il loro numero sia sufficientemente ampio, si potrebbero avere direttamente disponibili i risultati segmentati in funzione della tipologia di terminale. Rimarrebbe tuttavia il problema che da un lato non per tutte le tipologie sarebbe consentito installare l’agent mobile e dall’altro lato che la numerosità di agent per le diverse tipologie (e quindi l’accuratezza delle misure associate ad ognuna di esse) potrebbe essere molto dispersa. 4.3.4 QoS della rete e terminali: le prestazioni medie della rete Il quarto tipo di descrizione della QoS da associare ad una specifica rete mobile è quella che generalizza gli approcci precedenti ed aggiunge anche una valutazione complessiva e globale della rete mobile. Completata 36 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 infatti la tabella descritta nel precedente paragrafo 4.3.3, si può ora pensare di andarli a pesare in funzione della percentuale che compete alle diverse tipologie di terminali per quella certa rete mobile. In questo caso, quindi, oltre ai valori della tabella, è necessario conoscere anche il grado di utilizzo delle diverse tipologie di terminali all’interno delle singole reti. Nel caso dei drive test, ad esempio, è possibile in linea di principio (si sono già evidenziate prima le difficoltà nel fare questo) ottenere i valori della tabella, effettuando test per ognuna delle tipologie di terminali, ma rimarrebbe comunque incognito quale peso assegnare ad ognuno di essi, che andrebbe dunque ricavato per altra via. Un discorso analogo può valere anche per gli agent mobili; in questo caso però si potrebbe conoscere come si distribuiscono le varie tipologie di terminali all’interno dell’insieme di coloro che hanno scelto di installare l’agent sul proprio terminale; non sarebbe comunque semplice anche in questo caso risalire all’effettiva distribuzione dei terminali d’utente, sia perché su alcune tipologie di terminali non è possibile o semplice installare agent, sia perché può essere presente un effetto di correlazione fra chi possiede una certa tipologia di terminali e la sua propensione ad installare l’agent. Il vantaggio di tale approccio è che consente di sintetizzare in un unico valore le prestazioni che l’utente medio può sperare di ottenere da quella rete mobile. In tal senso, può essere utilizzabile per la definizione di un Indice di Qualità Globale mobile per ogni rete, che tiene conto sia delle prestazioni potenzialmente offerte dalla rete stessa sia della effettiva distribuzione e fruizione da parte dei suoi specifici utenti. Oltre agli svantaggi già evidenziati al precedente paragrafo 4.3.3, rimarrebbe anche il problema di individuare la distribuzione delle tipologie di terminali per ogni singola rete mobile. 4.4 Copertura e Throughput 4.4.1 Dipendenza del throughput massimo dal livello del segnale e dalle condizioni interferenziali Il throughput che può essere raggiunto in un determinato istante e in una determinata area dipende dal rapporto tra il livello di segnale ricevuto dalla SRB nel punto, il rumore e le condizioni interferenziali. L’interferenza può essere dovuta, a seconda del sistema che si considera, a SRB operanti sulla stessa frequenza (per esempio nel caso del GSM), oppure agli altri utenti della stessa cella nel caso di sistemi CDMA (ad esempio nel caso dell’UMTS). Per quanto riguarda l’interferenza deve poi eventualmente essere considerata anche l’interferenza proveniente da sistemi diversi operanti in bande adiacenti. Una volta calcolato il valore del rapporto tra segnale utile e interferente è possibile determinare, a seconda del sistema considerato, il valore di throughput massimo raggiungibile in quelle condizioni. Un indicatore utile per misurare quindi la qualità del servizio offerto è dato dal rapporto segnale / interferenza comunemente detto C/I. Nella seguente Tabella 6, estratta dalla specifica 3GPP TS 45.005, è riportato il C/I minimo richiesto per avere prestazioni accettabili in funzione del tipo di Modulation Coding Scheme usato e del tipo di canale propagativo, per il GSM (GPRS e EDGE). 37 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Tabella 6 - Rapporto segnale /interferente (C/I) per le modulazioni GMSK/8PSK GSM 900 Type of Propagation conditions Channel TU3 TU3 TU50 TU50 RA250 (no FH) (ideal FH) (no FH) (ideal FH) (no FH) CS-1 dB 13 9 10 9 9 CS-2 dB 15 13 14 13 13 CS-3 dB 16 15 16 15 16 CS-4 dB 21 23 24 24 * MCS-1 dB 13 9.5 10.5 9.5 10 MCS-2 dB 15 12 12.5 12 12 MCS-3 dB 16.5 16.5 17 17 19 MCS-4 dB 19 21.5 22 22 * MCS-5 dB 18 14.5 15.5 14.5 16 MCS-6 dB 20 17 18 17.5 21 MCS-7 dB 23.5 23.5 24 24.5 26.5 MCS-8 dB 28.5 29 30 30 * MCS-9 dB 30 32 33 35 * Si può notare come al crescere del coding scheme e quindi del throughput ottenibile (vedi Tabella 7) , è richiesto un rapporto C/I sempre maggiore. 38 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Tabella 7 - Throughput per Timeslot Coding and modulation scheme (MCS) Tecnologia Speed (kbit/s/slot) modulation CS1 GPRS 8.0 GMSK CS-2 GPRS 12.0 GMSK CS-3 GPRS 14.4 GMSK CS-4 GPRS 20.0 GMSK MCS1 EDGE 8.8 GMSK MCS-2 EDGE 11.2 GMSK MCS-3 EDGE 14.8 GMSK MCS-4 EDGE 17.6 GMSK MCS-5 EDGE 22.4 8-PSK MCS-6 EDGE 29.6 8-PSK MCS-7 EDGE 44.8 8-PSK MCS-8 EDGE 54.4 8-PSK MCS-9 EDGE 59.2 8-PSK Ad esempio se consideriamo il coding scheme MCS-9, che permette di ottenere il throughput per timeslot più alto (59.2 kbit/s), si evince che il C/I richiesto per un canale di tipo TU3 con Frequency hopping ideale è di 32 dB. I sistemi più recenti (EDGE, HSPA e LTE) sono in grado di adattare la modulazione, la codifica e altri parametri dei protocolli alle condizioni del canale radio (ad esempio in funzione del valore dell’attenuazione, dell’interferenza, ecc), utilizzando per esempio modulazioni più basse e quindi più robuste quando il valore del rapporto segnale interferente e più basso, invece modulazioni più alte e quindi velocità di trasmissione più elevate quando il valore del rapporto segnale interferente è più elevato. EDGE, per esempio, usa un algoritmo in grado di adattare la bit-rate, quindi la modulazione e il codice utilizzato, in funzione della qualità del canale radio . Se invece si considera lo standard LTE (ETSI TR 136 942 [V9.0.1 2010-10] LTE – E-UTRA RADIO FREQUENCY SYSTEM SCENARIOS, Link Level Performance Model (Annex A.1) si ritrovano indicazioni sul throughput massimo ottenibile in funzione della qualità del canale radio, in assenza di interferenti, ma considerando solo il rumore. Utilizzando la link adaptation si possono ottenere le seguenti espressioni per il throughput per un canale radio con un certo valore del rapporto segnale/rumore (SNR): for SNIR < SNIRmin $0 ! THR = #& % S (SNIR ) for SNIRmin < SNIR < SNIRmax !THR for SNIR > SNIRmax max " 39 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 dove S (SNIR) = log 2 (1+ SNIR) [bps/Hz] . " è il fattore di attenuazione che tiene conto delle perdite per implementazione. Valori tipici sono " = 0.4 per la tratta uplink e " = 0.6 per la tratta downlink. La seguente Figura 14 mostra il minimo throughput teorico che può essere ottenuto con un canale AWGN (Additive ! White Gaussian Noise), in funzione del SNR. ! ! ! Figura 14 - Throughput di un insiem di combinazione di codici e modulazioni per un canale AWGN Come si può osservare i valori che si riescono ad ottenere sono non lontani dal valore massimo teorico ottenibile (teorema di Shannon). Poiché il throughput cresce all’aumentare del valore SNR e considerando che si è esaminato il caso di canale AWGN, si può dedurre che valori maggiori di throughput possono essere ottenuti a distanza minore dalla SRB, dove il livello di segnale è più elevato. In definitiva quindi il throughput, a parità di condizioni, diminuisce all’aumentare della distanza dalla SRB, come qualitativamente mostrato nella seguente Figura 15. 40 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Figura 15 – Throughput in funzione della distanza da SRB per sistema EDGE 4.4.2 Dipendenza del throughput massimo da standard e banda utilizzata in funzione della distanza Come già descritto al paragrafo 4.2, l’attenuazione del segnale varia anche in funzione della frequenza utilizzata: frequenze più basse hanno valori dell’attenuazione minore e quindi, a parità di potenza trasmessa, valori di segnale ricevuto più elevati. Questo si ripercuote sul throughput raggiungibile a seconda della banda utilizzata e anche sul valore del throughput raggiungibile a parità di distanza per frequenze diverse: a parità di condizioni di trasmissione (potenza trasmessa, antenna trasmittente ecc) a frequenze più basse lo stesso throughput può essere raggiunto a distanze maggiori dalla SRB. E’ altresì noto che il throughput offerto dipende anche dallo standard utilizzato; l’evoluzione degli standard ha portato a partire dal GPRS , passando da EDGE, UMTS e HSPA e arrivando fino all’LTE Advance a valori di throughput sempre maggiori, fino ai 100 Mbit dell’LTE. Le prestazioni di una rete sono quindi influenzate dalla frequenza utilizzata così come dallo standard utilizzato. Possibili scelte per valutare le prestazioni della rete possono essere: Effettuare delle valutazioni considerando il terminale che sa sfruttare al meglio le potenzialità della rete Effettuare una media pesata fra le prestazioni di rete per tutte le varie tipologie di terminali, secondo quanto descritto in 2.1 Effettuare una media delle prestazioni di rete per una determinata tipologia di terminali 41 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 4.4.3 Differenza fra il throughput massimo outdoor oppure indoor (dipendenza dalla banda usata) Come descritto al paragrafo 4.2, la qualità del segnale (proveniente da una stazione radio base esterna) all’interno degli edifici diminuisce al crescere della frequenza. Inoltre tale qualità decresce rapidamente quando si è in movimento in un ambiente indoor. La perdita di penetrazione del segnale radioelettrico causata dagli edifici è un parametro di natura statistica e dipende da molteplici fattori quali ad esempio la forma ed i materiali utilizzati per l’edificio, il numero e lo spessore dei muri, la quantità di acciaio contenuta nei muri stessi, il numero di finestre ecc.; da misure effettuate in ambiente urbano, ad esempio, la perdita del segnale a 1800 MHz è valutabile in 12-25 dB. Considerare “coperta” una determinata cella significa avere in ogni punto interno alla stessa una potenza del segnale utile al di sopra di un determinato valore con una certa probabilità. Tale probabilità viene definita Location Probability. Di norma sono definiti due valori di Location Probability, uno per ambienti prevalentemente aperti (Outdoor Location Probability) ed un altro riferito ad una copertura interna agli edifici (Indoor Location Probability). Valori normalmente utilizzati sono 90%-95% per la OLP e 80% per l’ILP. In particolare il grafico riportato di seguito ( Figura 16) mostra dei valori tipici di estensione di celle in un ambiente Dense Urban in funzione della Location Probability. 2,5 Distance /km 2,0 900MHz 1,5 1,0 1800MHz 0,5 0,0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Indoor Location Probability 1 Figura 16 - Andamento del raggio di cella in funzione dell’ILP Come precedentemente detto, il throughput è funzione del valore del C/I che il terminale sperimenta in un certo punto e quindi poiché il valore del segnale utile e quindi l’attenuazione è funzione della frequenza e del fattore di penetrazione indoor appare evidente che frequenze più basse, oltre a garantire una migliore copertura indoor, come si può notare dalla figura precedente, consentono di raggiungere valori di throughput più elevati. La qualità della rete varia quindi a seconda che tali valutazioni siano fatte in condizioni di ricezione outdoor o indoor e a parità di condizioni ambientali, in funzione della distanza e della banda utilizzata. Quali possono allora essere le scelte per valutare le prestazioni della rete? Anche in questo caso le scelte possono esser le seguenti: 42 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Effettuare delle valutazioni considerando il terminale che sa sfruttare al meglio le potenzialità della rete Effettuare una media pesata fra le prestazioni di rete per tutte le varie tipologie di terminali, secondo quanto descritto in 2.1 Effettuare una media delle prestazioni di rete per una determinata tipologia di terminali 43 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 5 Metodologia di esecuzione delle misure per il servizio dati Un’adeguata misura della qualità dei servizi dati su rete mobile deve essere effettuata in modo da essere rappresentativa il più possibile di quanto disponibile all’utente finale in termini degli indicatori di prestazione che sono stati individuati. In questo capitolo si affronterà la definizione dell’architettura del sistema di misura per le valutazioni della qualità dell’accesso a internet dalle reti mobili e l’individuazione delle possibili modalità di misura degli indicatori di prestazione (KPI). 5.1 Architettura del sistema e punti di misura Per garantire omogeneità e confrontabilità tra i risultati ottenuti, è necessario che l’architettura del sistema di misura faccia riferimento a soluzioni standard. Come suggerisce la norma ETSI [5], i server di misura dovrebbero essere posti il più vicino possibile al gateway che interconnette la rete dell’operatore radiomobile, che fornisce l’accesso fisico all’utente finale, e la rete del Provider che assicura l’accesso alla Internet Pubblica (IAP - Internet Access Provider), così da evitare che le caratteristiche e la qualità di quest’ultima rete possano avere impatto sulle misure. 1 Considerando la struttura della rete di un operatore e la definizione stessa di cosa sia un IAP e di quale sia 2 l’oggetto delle misure stesse , si possono evidenziare scenari diversi circa la collocazione vera e propria dei server di misura. Può quindi essere molto utile fare riferimento all’esperienza disponibile grazie alle attività di misura già avviate per la valutazione della qualità dell’accesso a internet da postazione fissa, realizzate secondo quanto disposto dalla Delibera AGCOM n. 244/08/CSP [12]. In linea di principio l’oggetto della misura è rappresentato dalle prestazioni della rete che interconnette un utente finale (client) ed un server di misura collocato al cosiddetto IXP (Internet eXchange Point), come illustrato in Figura 17. Figura 17 – Rappresentazione schematica dell’accesso fisico alla rete internet, oggetto della misura 1 2 “organization that provides users with an Internet access” [5] “The term Internet access includes the physical access between the user's terminal equipment and the access to the network of the IAP who is providing the end user with access to the Public Internet itself. The scope of the parameters is limited to the Internet access itself, i.e. the connection between end user and IAP and the availability and reliability of the access” [5] 44 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 L’architettura del sistema di misura realizzato per la valutazione della qualità dell’accesso a internet da postazione fissa è rappresentata in Figura 18 [13]. Il sistema di misura adotta un approccio di tipo client oriented che prevede che l’intelligenza per l’esecuzione delle misure risieda non soltanto nei server ma anche negli agenti di misura. I server di misura sono posizionati presso i due principali NAP (Neutral Access Point) italiani di Roma e Milano, a cura dalla Fondazione Ugo Bordoni, e rappresentano il “bersaglio” verso cui puntano le misure generate dai terminali. La scelta di collocare i server al NAP consente che i test di velocità e ritardo vengano svolti esclusivamente sulle reti (o sui segmenti di rete) di responsabilità degli operatori. In Figura 18, infatti, si nota come tutto il traffico scambiato tra il NAP e i terminali da cui si genera la misura, transiti esclusivamente sulla rete dell’operatore sotto test. All’interno dei nodi di interscambio (NAP) la Fondazione Ugo Bordoni è direttamente connessa sulla LAN di peering; questo garantisce un collegamento diretto tra gli apparati di misura e le reti misurate. Figura 18 – Architettura del sistema di valutazione della qualità dell’accesso a internet da postazione fissa L’architettura descritta si presta per essere adottata anche nella realizzazione di misure della qualità dell’accesso a internet da reti radiomobili. In Figura 19 è schematizzata in modo estremamente sintetico e semplificato la struttura di un sistema cellulare allo scopo di identificare quali sono le interfacce logiche che 45 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 si possono considerare per collocare i server di misura e ottenere misure di qualità dell’accesso a internet corrette ed accurate. Naturalmente, l’impiego di sonde hardware, utilizzate ad esempio per condurre drive tests, ovvero di agent software si colloca in corrispondenza del terminale d’utente e le due scelte sono del tutto compatibili con l’impiego di una medesima architettura. Le reti radiomobili dei diversi operatori sono connesse alle reti a pacchetto esterne, cioè in sostanza alla rete internet con cui scambiano i flussi di informazione, attraverso nodi chiamati GGSN (Gateway GPRS Support Node). Una prima ipotesi potrebbe essere quella di collocare i server di misura proprio in corrispondenza di questi nodi. Va tuttavia sottolineato che i nodi GGSN sono a tutti gli effetti parte integrante della rete di ciascun operatore e, come tali, ad esso appartengono. Inoltre il numero complessivo di nodi GGSN da prendere in considerazione sul territorio nazionale potrebbe essere non trascurabile, con un conseguente aumento delle difficoltà realizzative e dei costi da sostenere. PLMN PLMN PSTN PSTN ISDN ISDN Traffico dati HLR Rete radiomobile VLR MSC SGSN UE GGSN BSC BTS Internet Internet Figura 19 – Struttura schematica di una rete cellulare Per i motivi esposti è quindi utile considerare l’ipotesi di collocare i server di misura per la qualità dell’accesso a internet da rete mobile presso i NAP. Ciascun nodo GGSN, infatti, instrada il traffico dati verso la rete internet e tale traffico è poi trasportato avvalendosi di una infrastruttura di rete propria dell’operatore o di un diverso operatore con cui siano stati sottoscritti accordi, secondo le modalità canoniche della gestione delle reti a pacchetto. In questa ipotesi, a partire dalla struttura riportata in Figura 18, si può delineare la struttura del sistema di misura riportata in Figura 20. 46 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Client’s Location Operator’s IP Network Measurement Server IXP GGSN Operator’s IP Network GGSN INTERNET Operator’s IP Network Generic representation of three operators GGSN Central System Management Consolle B FU Acquisition System Measures processing Data Repository Figura 20 –Ipotesi di architettura del sistema di valutazione della qualità dell’accesso a internet da rete mobile (AGGIORNARE) 5.2 Modalità di esecuzione delle misure degli indicatori di prestazione In questo paragrafo si descriveranno alcune diverse metodologie per l’esecuzione delle misure degli indicatori di prestazione identificati per la valutazione della QoS delle connessioni dati. Si considererà inizialmente la metodologia adottata per la misura della qualità dell’accesso a internet da postazione fissa, secondo quanto indicato dalla Delibera 244/08/CSP [12] [13] e si presenteranno metodologie alternative, nell’ottica di individuare quella maggiormente adatta alle analisi di QoS per le connessioni dati sulle reti radiomobili. 5.2.1 Metodologia di misura della qualità dell’accesso da postazione fissa La Delibera AGCOM n. 244/08/CSP, comprensiva delle successive modifiche ed integrazioni introdotte con la Delibera n. 400/10/CONS [12] [13], definisce le modalità di esecuzione delle misure a uso dell’utente finale per verificare la qualità dell’accesso a internet da postazione fissa, offerta dai diversi operatori. Gli indicatori specifici in essa indicati e le relative modalità di misura sono derivati direttamente dalle norme tecniche di settore ETSI EG 202 057-4 V1.1.1 [5], con particolare riferimento a: 47 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali - Velocità di trasmissione dati - Tasso di insuccesso nella trasmissione dati - Ritardo di trasmissione dati in una singola direzione - Tasso di perdita dei pacchetti Deliverable D03 Si può quindi notare che tra gli indicatori non è compresa la variabilità del ritardo di trasmissione dati, il cosiddetto jitter, che risulta essere un indicatore significativo per molti servizi di tipo real-time, come ad esempio il VoIP, e che viene invece ritenuto di interesse per le connessioni dati da rete radiomobile, anche per le caratteristiche intrinseche dei collegamenti radiomobili stessi. Le misure di qualità realizzate ai sensi della Delibera 244/08/CSP impiegano il protocollo FTP (File Transfer Protocol) ed il protocollo ICMP (Internet Control Message Protocol) in funzione dell’indicatore che si deve misurare, così come suggerito nella raccomandazione ETSI EG 202 057-4 v.1.1.1 [5], e vengono realizzate tra due terminazioni di rete note: il NAP e la locazione di misura, rappresentata dal calcolatore dell’utente sul quale è installato l’agent software. Il protocollo FTP è utilizzato, nello specifico, per la misura della velocità di trasmissione dati e del tasso di insuccesso nella trasmissione dati. Nell’ottica dell’utilizzo di un approccio analogo nell’ambito delle connessioni radiomobili, va sottolineato che esistono alcuni severi inconvenienti che derivano dalle caratteristiche stesse del protocollo. Infatti, essendo FTP un protocollo con connessione è tipicamente necessario realizzare trasferimenti di file costituiti da un numero di bit molto elevato al fine di stabilizzare la connessione ed ottenere una misura affidabile degli indicatori. Questo può rappresentare indubbiamente un ostacolo nel caso delle reti radiomobili in cui è preferibile poter realizzare misure in modo più snello: un utente in mobilità, ad esempio, con un protocollo più snello sarebbe in grado di raccogliere un numero maggiore di campioni di misura con una conseguente maggiore affidabilità della misura in senso statistico. A ciò si aggiunge che trasferimenti ripetuti di file di notevoli dimensioni possono rappresentare un deterrente per la realizzazione delle misure di qualità, da parte degli utenti i cui profili contrattuali prevedono limitazioni in termini di quantità di traffico realizzato su un determinato periodo di tempo. Va inoltre sottolineato che le prestazioni del protocollo FTP e, di conseguenza, le misure dei KPI sono fortemente affette dalle attività in corso sul terminale al momento della misura. Questo aspetto è stato attentamente tenuto in considerazione sia nella progettazione dell’agent software sia nella definizione delle condizioni di misura per la qualità delle connessioni dati da postazione fissa, ma potrebbe essere difficilmente conciliabile con le reti radiomobili, per le quali alcune attività dei terminali sono indispensabili e intrinsecamente legate al corretto funzionamento delle reti stesse. Gli ulteriori indicatori costituiti dal ritardo di trasmissione dati in una singola direzione e dal tasso di perdita dei pacchetti sono misurati tramite PING, un programma disponibile sui principali sistemi operativi che misura il tempo, espresso in millisecondi, impiegato da uno o più pacchetti ICMP a raggiungere un altro computer o server in rete ed a ritornare indietro all'origine. Tecnicamente PING invia un pacchetto ICMP di tipo echo request e rimane in attesa di un pacchetto ICMP di tipo echo reply in risposta. Il ritardo di trasmissione dati in una singola direzione è calcolabile attraverso l’impiego del PING dividendo per un fattore 2 il tempo intercorrente tra l’invio di un messaggio ICMP Echo Request e la ricezione del corrispondente messaggio ICMP Echo Reply. In altre parole, il ritardo in una singola direzione può essere calcolato soltanto come la metà del tempo impiegato da un pacchetto ICMP inviato dal terminale per raggiungere il server remoto posizionato al NAP e tornare al terminale che lo ha spedito. Questo modo di procedere non appare molto adatto per le valutazioni dei ritardi di trasmissione nelle reti radiomobili, per le quali è noto che i collegamenti nelle due direzioni dal terminale verso la stazione radiobase e viceversa (uplink e downlink) sono tipicamente caratterizzati da una significativa asimmetria. Il ricorso al PING, inoltre, non consente di ottenere una misura immediata della variabilità del ritardo di trasmissione, che può essere derivata soltanto dall’elaborazione dei dati disponibili sui ritardi di trasmissione in una singola direzione. La precisione dei ritardi forniti dal PING, dell’ordine dei millisecondi, può mascherare tuttavia la presenza di un jitter rilevabile soltanto a partire da dati maggiormente accurati. 48 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 5.2.2 Misure che prevedono l’impiego di protocolli di tipo real time L’analisi delle modalità di misura ed in particolare dei protocolli impiegati per le valutazioni della qualità dell’accesso a internet da postazione fissa ha messo in luce alcune criticità cui si andrebbe incontro nell’estendere il medesimo approccio anche alle reti radiomobili. Per questo motivo appare maggiormente opportuno identificare protocolli di comunicazione diversi, più adeguati per gli scopi delle attività in corso sulla qualità di servizio nelle reti radiomobili. In questo senso, i protocolli maggiormente adatti ad essere impiegati sono quelli di tipo real time, tipicamente basati su comunicazioni di tipo connectionless e tra essi, in particolare, il protocollo RTP (Real Time Protocol), utilizzato per numerosi servizi che necessitano il trasferimento di dati in tempo reale come i servizi interattivi, audio e video. Il protocollo RTP è utilizzato assieme al protocollo RTCP (RTP Control Protocol), che ha la funzione di monitorare le statistiche di trasmissione e la qualità di servizio. L’impiego del RTCP consente di ottenere in maniera immediata la misura accurata degli indicatori di prestazione di interesse per gli scopi del presente lavoro, rendendo l’attività di test e misura di facile esecuzione e di realistica interpretazione della situazione del canale di comunicazione. L’utilizzo dei protocolli RTP/RTCP risulta di implementazione meno diretta rispetto ai protocolli FTP e ICMP impiegati per le misure effettuate ai sensi della Delibera n. 244/08/CSP (descritte al precedente paragrafo 5.2.1), poiché richiede, in sede di misura, il ricorso ad applicazioni che simulino la presenza di servizi real time, oltre all’impiego di appositi analizzatori di protocollo che servono per estrarre le informazioni rese disponibili dal RTCP. Nel successivo capitolo 6 si fornirà un’accurata descrizione dei protocolli RTP/RTCP, approfondendo i temi accennati nel presente paragrafo. 5.2.3 Ulteriori metodologie di misura In aggiunta alle metodologie descritte nei precedenti paragrafi, si possono considerare ulteriori soluzioni per la misura degli indicatori di prestazione, basate sull’impiego di protocolli che controllano il trasporto e la multiplazione dei diversi flussi di dati di livello applicativo nel trasporto da un estremo all’altro della connessione. Appartengono a questa famiglia di protocolli il TCP (Transmission Control Protocol) e l’UDP (User Datagram Protocol), che rappresentano i protocolli di maggior potenziale interesse ai fini del presente lavoro. Il TCP offre inoltre un servizio di trasferimento con connessione affidabile e funzioni di controllo di congestione. Il protocollo UDP viene preferito per le applicazioni di tipo real-time. I protocolli TCP e UDP si collocano ad un diverso strato nella pila protocollare ISO/OSI, rispetto ai già citati FTP e ICMP. L’impiego di TCP o UDP può risultare per certi versi più immediato rispetto alle metodologie illustrate nei precedenti paragrafi 5.2.1 e 5.2.2, ma richiede tipicamente software aggiuntivo allo scopo di ricavare i valori misurati per gli indicatori di prestazione di interesse. Per comprendere quali siano le funzionalità necessarie per questo genere di software aggiuntivi si può considerare, ad esempio, il tool Iperf che è comunemente utilizzato come strumento di test per le reti. Iperf è in grado di creare flussi di dati di tipo TCP o UDP e misurare la velocità dati della rete che li trasporta. Iperf ha funzionalità sia di tipo client sia server e può effettuare misure tra due estremi di una rete sia in senso bidirezionale che monodirezionale. Si tratta di un software open source che può funzionare su diverse piattaforme. 49 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Sebbene questo tipo di protocolli sia già stato impiegato per la sviluppo di software utilizzato in campagne di misura come quella realizzata da Epitiro [18] nel Regno Unito, è necessario di volta in volta valutare l’adeguatezza del metodo di misura in funzione degli obiettivi che ci si pone. A titolo di esempio, si cita come l’impiego del protocollo TCP ben si presti per la valutazione della velocità di trasmissione dati, mentre sia meno adatto per misurare le prestazioni della rete in termini di ritardo di trasmissione o ancor più di jitter, indicatori per i quali risulta invece maggiormente adatto il protocollo UDP. Sulla metodologia adottata nel Regno Unito per valutare le prestazioni dell’accesso a banda larga da rete mobile da Epitiro e sull’esperienza avviata da OFCOM si dirà brevemente nel prossimo paragrafo 5.2.4. 5.2.4 L’esperienza britannica nella misura delle prestazioni dell’accesso a banda larga da reti radiomobili in tecnologia HSDPA A partire dal 2000 Epitiro ha valutato le prestazioni delle reti a banda larga ed ha pubblicato con regolarità rapporti sull’indice di prestazione della rete internet (IPI – Internet Performance Index), ottenuti dalla valutazione di numerosi KPI, che influenzano l’esperienza degli utenti. I dati ottenuti hanno fornito informazioni utili all’industria e ai regolatori per la valutazione delle prestazioni e per la gestione della rete. Nell’autunno 2008 Epitiro ha avviato un progetto di ricerca, ancora in corso, finalizzato alla valutazione della QoE (Quality of Experience) sperimentata dagli utenti dei servizi mobili a banda larga, con particolare riferimento alle reti cellulari in tecnologia HSDPA. I dati raccolti, nell’ambito del progetto, nel periodo che va da dicembre 2008 fino a maggio 2009 hanno dato luogo alla pubblicazione di un rapporto nel giugno del 2009 [18]. I risultati hanno consentito di identificare un livello di base per la qualità del servizio offerto, che può essere monitorato nel tempo, e di confrontare le prestazioni delle reti mobili con quelle delle reti fisse in tecnologia ADSL, cavo o fibra. I dati per gli scopi del progetto sono stati raccolti principalmente attraverso il software di Epitiro “isposureTM”, un’applicazione gratuita che consente agli utenti di banda larga di classificare il livello effettivo del servizio di cui godono e di confrontarlo con quello di altri ISP nella medesima area. In aggiunta, sono stati raccolti dati anche attraverso l’impiego di sonde hardware e PC opportunamente configurati, che hanno consentito di ottenere attraverso drive tests valori di riferimento cui riportare le misure ottenute dagli agenti sofware. Si osservi che i punti terminali delle misure effettuate dagli agent software o hardware sono rappresentati da server collocati al principale nodo di peering (IXP) del Regno Unito. L’architettura del sistema di misura realizzato da Epitiro presenta quindi numerose analogie con quanto descritto al precedente paragrafo 5.1. Per quanto riguarda invece la metodologia di misura è utile sottolineare che l’approccio seguito nel Regno Unito da Epitiro privilegia la valutazione della QoE, anziché quella della QoS. Il punto di vista è quindi maggiormente spostato sull’esperienza degli utenti rispetto all’analisi delle vere e proprie prestazioni delle reti radiomobili. A questo scopo in [18] i servizi indicativi per le valutazioni delle prestazioni della rete a banda larga sono identificati in: 50 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali - Web browsing - e-mail - Download di file audio e/o video - Streaming - Gaming Deliverable D03 Come conseguenza la scelta degli indicatori di prestazione è stata dettata dal particolare servizio che si voleva valutare e, naturalmente, per servizi diversi possono essere identificati e misurati differenti KPI. In aggiunta a ciò, si deve osservare che alcuni degli indicatori selezionati non hanno nulla a che vedere con le prestazioni della rete in sé, come ad esempio l’indicatore “tempo di risposta del DNS”. Nel settembre del 2010 Epitiro è stata incaricata da OFCOM di valutare la qualità dei servizi offerti dai gestori radiomobili britannici. Questo progetto di ricerca si articola da settembre 2010 fino a gennaio 2011 e durante questo periodo Epitiro misurerà attraverso il proprio software ipQ diversi KPI cruciali per la valutazione della qualità sperimentata dagli utenti, tra cui l’accessibilità, l’affidabilità e la velocità di trasmissione dati. I dati raccolti serviranno a determinare le variazioni degli indicatori in funzione dell’operatore, del tempo, delle aree geografiche e di altri numerosi fattori. L’infrastruttura di misura dispiegata vedrà l’utilizzo di postazioni di misura fisse su laptop, drivetest e software installato direttamente sugli apparati mobili di alcuni utenti finali. Il protocollo utilizzato per la valutazione della gestione del traffico e througput è il TCP con framework di supporto quali FTP e RTP/RTCP per la valutazione della qualità di particolari servizi audio e video avanzati. Lo studio effettuato porterà quindi ad un report che descrive l’effettivo utilizzo della rete, permettendo ad OFCOM di monitorare la legittimità del comportamento dei gestori di telefonia e agli utenti di scegliere il proprio operatore in maniera più aderente alla proprie esigenze, tutelati dall’Autorità britannica. 51 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 6 RTP/RTCP 6.1 Generalità Introdotto dal RFC 1889 e successivamente delineato nel RFC 3550 sottoprotocolli: [17], RTP è composto da 2 RTP: governa il flusso di dati multimediali (porte pari) RTCP: fornisce informazioni sulla qualità della trasmissione in corso (porte dispari) RTP / RTCP non fa parte del livello di trasporto ma dell’applicazione. Lo sviluppatore deve implementare RTP integrandolo nell’ applicazione stessa incapsulando i pacchetti RTP in UDP (multicast o unicast). Lo standard RTP è comunque utile per consentire ad applicativi di produttori diversi di interoperare tra loro. Il posizionamento architetturale è illustrao in Figura 21. Application: RTP/RTCP Transport: UDP Network: IP Data Link Physical Layer Figura 21 – Posizionamento architetturale di RTP/RTCP In una sessione di comunicazione RTP, gli attori sono quattro: Host: rappresenta la macchina dell’utente su cui girano gli applicativi basati su RTP . Gli host generano i flussi multimediali e li consumano. Translator: sono dei traduttori di codifiche , modificano il tipo di codifica di un flusso e lo ritrasmettono sulla rete . 52 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Mixer: più flussi in ingresso a un mixer vengono aggregati in un unico flusso uscente (tipicamente con un bit rate inferiore della somma dei flussi originali ) . Gestiscono anche la sincronizzazione tra flussi correlati. Monitor: osservano dall’esterno i pacchetti di controllo, non partecipano alla comunicazione . Ricavano informazioni sulla QoS e altri parametri utili per i provider per valutare la bontà del servizio . Si è detto che il protocollo RTP si occupa del trasporto dei contenuti ma non del loro controllo. Nel RFC 3550 allora si specifica un altro protocollo per il monitoraggio della comunicazione: RTCP. 6.1.1 RTCP Creato come protocollo di controllo per il flusso dati, RTCP si pone i seguenti obiettivi: • Qualità del servizio e controllo di congestione : a. I pacchetti RTCP sono usati come “ACK a bassa frequenza” per indicare la ricezione. qualità della b. In base ai “report” RTCP, il server può adattare la codifica allo stato della comunicazione. • Identificazione : c. Fornisce più informazioni sui partecipanti alla trasmissione (segnalazione) • Stima del numero di partecipanti multicast d. Necessaria per controllare la velocità di invio dei segnali di controllo RTCP che crescerebbe troppo se il numero dei partecipanti crescesse eccessivamente. Per fornire questi servizi RTCP si basa sulla trasmissione di cinque tipi diversi di pacchetti: a. SR (sender report) trasporta statistiche di spedizione effettuate dai partecipanti che trasmettono dati RTP. b. RR (receiver report) trasporta statistiche di ricezione di un partecipante che riceve dati RTP. c. SDES (source descriptor) contiene elementi di descrizione dei partecipanti. d. BYE indica che un partecipante vuole lasciare la sessione. e. APP specifica il tipo di applicazione che sta usando RTP. Essendo un protocollo di supporto al trasferimento dei dati, il traffico RTCP deve essere limitato ad una percentuale bassa del traffico totale generato (non più del 5%) ed inoltre il 25% della banda impiegata deve essere destinato ai pacchetti SR. 6.2 MISURA DI PARAMETRI E ACCURATEZZA Ecco un esempio di monitoraggio di alcuni parametri della QoS attraverso l'uso di RTP/RTCP: 53 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 • Througput: Nel pacchetto SR è presente un campo chiamato “sender’ packet count” che indica il numero di pacchetti inviati in una sessione. Combinandolo con la durata della sessione è facilmente ricavabile il Througput. Eventualmente si può anche utilizzare il campo “sender’ octet count ” che invece indica il numero di bit inviati in una sessione. • Packet Loss: Nel pacchetto SR è presente un campo chiamato “ cumulative number of packet lost ” che esplicitamente indica il numero dei pacchetti RTP inviati da una sorgente che sono stati persi . • Delay: Nel pacchetto SR è presente un campo chiamato “delay since last SR ” che indica il ritardo espresso in 1/65536 di secondo fra l’ ultimo pacchetto ricevuto da una sorgente e la spedizione di questo report. Oppure in alternativa tutti i pacchetti sono segnati con un timestamp che confrontato con l'istante di arrivo può dare indicazione del ritardo di trasmissione. • Jitter: Nel pacchetto SR è presente un campo chiamato “Interarrival jitter ” che stima la varianza statistica dell’ intervallo di tempo d’ arrivo dei pacchetti RTP . 6.2.1 Esempio Come esempio dell'accuratezza dei parametri e del modo in cui questi vengono calcolati si mostra come viene ricavato il jitter dalle informazioni riportate sull'intestazione RTP. Si chiami “Si” timestamp del pacchetto i-esimo (quindi l'istante in cui è stato mandato) e “Ri” l'istante di ricezione di questo pacchetto. La variazione di ritardo “D” tra due pacchetti consecutivi (i,j) si calcola come il tempo impiegato per trasmettere il pacchetto “i” meno quello impiegato per trasmettere il pacchetto “j”: D(i,j) = (Rj - Sj) - (Ri - Si) Successivamente si passa all'aggiornamento del jitter complessivo aggiungendo a quello calcolato precedentemente la nuova informazione opportunamente filtrata dal rumore: J(i) = J(i-1) + (|D(i-1,i)| - J(i-1))/16 Dove il filtraggio del rumore viene effettuato con il termine 1/16. 6.3 Estrazione dei parametri Rtp E' stato già specificato che RTP non fa parte del livello di trasporto ma è implementato direttamente nell'applicazione. Ciò significa che per il monitoraggio “dall'esterno” (ovvero non visibile solo all'applicazione ma anche all'esterno della stessa) è necessario generare un flusso RTP, ad esempio VoIP, e successivamente monitorarlo con opportuni strumenti. Questo implica che bisogna far lavorare diverse applicazioni in parallelo per avere i dati che si desiderano. 54 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Un esempio di come il monitoraggio possa essere fatto è: generare con il software Asterisk una chiamata VoIP (quindi basata su RTP) e settare opportuni parametri affinchè si possa contemporaneamente utilizzare il software Wireshark per estrarre dalla connessione VoIP i pacchetti RTP, dai quali poi si potrà leggere le informazioni riportate nei vari campi. 6.4 Intestazione Messaggi Rtcp A titolo di esempio si riporta lo schema dei messaggi Sender Report ( Figura 22) e Receiver Report (Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.) del protocollo RTP. In SR sono presenti un Receiver Report Block per ogni ricezione; mentre in RR sono presenti un Source Report Block per ogni sorgente, con lo stesso formato dei Receiver Report Blocks. Figura 22 – Schema del Sender Report 55 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Figura 23 – Schema del Receiver Report 6.5 RTP/RTCP: ESEMPIO DI APPLICAZIONE PRATICA Al fine di vedere come potrebbe essere concretamente svolto il lavoro di monitoraggio della qualità di servizio tramite RTP/RTCP, si mostra di seguito un esempio di analisi del traffico eseguita tramite analizzatore di protocollo opensource: “Wireshark”. Innanzitutto apriamo una connessione RTP/RTCP utilizzando una chiamata VoIP (possiamo farlo con numerosi software, ad esempio “Asterisk”), ricordando che la scelta del servizio VoIP è dovuta al fatto che implicitamente questo implementa RTP. Una volta aperta la connessione, procediamo a filtrare i pacchetti catturati, isolando quelli di nostro interesse ( Figura 23). 56 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Figura 23 – Filtraggio dei pacchetti di tipo RTP A questo punto, possiamo procedere all’analisi del traffico ( Figura 24) 57 Deliverable D03 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 Figura 24 – Analisi dei pacchetti RTP Nell’esempio possiamo vedere come siano dati dal software informazioni come il numero di sequenza, il Delta (il tempo che intercorre tra un pacchetto e quello precedente), lo Skew (misura di quanto in ritardo o in anticipo arriva un pacchetto rispetto alla packet rate nominale, ad esempio: se la packet rate è 50 pps ed il pacchetto numero 1000 arriva dopo 20.03 sec dal primo, allora si ha skew = 30ms, ovvero il pacchetto ha 30ms di ritardo relativo rispetto ai tempi promessi ), la BandWidth IP (che misura la banda a livello IP della conversazione), i pacchetti totali inviati, i pacchetti persi, la durata del collegamento. Per maggiori dettagli possiamo vedere lo stream rtp nella sua globalità con stime dei valori medie e di massimo ( Figura 25) Figura 25 – Stime delle statistiche di ritardo e di jitter Questo è solo un esempio dei valori direttamente forniti dal software, altri ancora ne possono essere estratti (direttamente o indirettamente) a seconda di che cosa si voglia ricercare. In riferimento ad una misura reale quindi si può pensare di valutare la QoS del collegamento attraverso una connessione VoIP di durata prestabilita e statisticamente significativa (supponiamo qui: 30 minuti) e confrontare la media dei parametri campionati (jitter, packet loss, etc.) con i valori riportati nella tabelle al capitolo precedente. 58 Qualità dei servizi di comunicazioni mobili e personali Deliverable D03 7 Riferimenti [1] QUALITÀ DEI SERVIZI DI COMUNICAZIONI MOBILI E PERSONALI: Deliverable D01 “Relazione sulla definizione delle metriche di qualità dei servizi mobili e personali e delle metodologie di misura” - Delibera AgCom 708/09 [2] QUALITÀ DEI SERVIZI DI COMUNICAZIONI MOBILI E PERSONALI: Deliverable D02 “Relazione sulla qualità della rete e analisi degli indicatori statistici” - Delibera AgCom 708/09 [3] ETSI EG 202 057-3 v1.1.1 (2005-04): “Speech Processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); User related QoS parameter definitions and measurements; Part3: QoS parameters specific to Public Land Mobile Networks (PLMN)”. [4] ETSI EG 202 057-2 V1.3.1 (2009-02): “Speech Processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); User related QoS parameter definitions and measurements; Part2: Voice telephony, Group 3 fax, modem data services and SMS”. [5] ETSI EG 202 057-4 V1.2.1 (2008-07): “Speech Processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); User related QoS parameter definitions and measurements; Part4: Internet Access”. [6] ITU-T Recommendation G.1010: "End-user multimedia QoS categories" [7] ITU-T Recommendation Y.1541: "Network Performance Objectives for IP-based Services" [8] ITU-T Recommendation I.350: "General aspects of quality of service and network performance in digital networks, including ISDNs" [9] ITU-R Recommendation M.1079-2: Performance and quality of service requirements for International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) access networks [10] IETF RFC 792: "Internet Control Message Protocol". [11] Comunicazione della Commissione al Consiglio, Parlamento Europeo, Comitato Economico e Sociale Europeo e Comitato delle Regioni n. COM(2007)50 dell’8 febbraio 2007 “Accesso Rapido allo spettro per servizi di comunicazione elettronica senza fili attraverso una maggiore flessibilità” [12] AGCOM - DELIBERA N. 244/08/CSP: “Ulteriori disposizioni in materia di qualità e carte dei servizi di accesso a internet da postazione fissa ad integrazione della delibera n. 131/06/CSP”; Napoli, 12 novembre 2008. [13] AGCOM - DELIBERA N. 400/10/CONS: “Modifiche ed integrazioni alla delibera n. 244/08/CSP recante “Ulteriori disposizioni in materia di qualità e carte dei servizi di accesso a internet da postazione fissa ad integrazione della delibera n. 131/06/CSP””; Roma, 22 luglio 2010. [14] Y. Okumura, E. Ohmori, T Kawano, and K. Fukuda, “Field strength amd its variability in VHF and UHF land-mobile radio service”, Rev. Elec. Commun. Lab., Vol. 16, pp. 825-873, Sept. 1968 [15] M. Hata, “Empirical formula for propagation loss in land mobile radio service”, IEEE Trans. On Vehicular Technology, vol. VT-29, pp. 317-325, Aug. 1980 [16] C. Demichelis, P. Chimento, “RFC 3393 – IP Packet Delay Variation Metric for IP Performance Metrics (IPPM), ” 11/02, Internet RFC 3393. [17] H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson, “RTP: A Transport Protocol for Realtime Applications ”, 7/03, Internet RFC 3550. [18] EPITIRO “UK Mobile Broadband Performance Analysis – Initial Findings 2009”; Giugno 2009. 59