Servizi Dati su mobile: prospettive di sviluppo ed evoluzione


E. Berruto, G. Castelli e P. Fasano
CSELT (Centro Studi E Laboratori Telecomunicazioni)
via G. Reiss Romoli, 274
10148 Torino (Italy)

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Premessa
I segnali evolutivi del mercato e gli svariati accordi e movimenti societari di questi ultimi mesi, indicano chiaramente che una parte progressivamente più significativa dell'innovazione nel settore dei servizi e dei sistemi mobili sia dovuta all'evoluzione dei servizi dati su mobile.
Questa tendenza alla crescita dei servizi dati si presenta in termini sia di differenziazione sia di incidenza quantitativa. In tal senso, i dati su mobile rappresenteranno nel prossimo futuro uno dei settori ad alto tasso di crescita e presumibilmente ad alta redditività per il fornitore di servizi e per gli operatori del settore, anche se il volume complessivo di questi servizi risulta oggi quantitativamente poco significativo rispetto ai servizi voce. In questa situazione di mercato, la spinta all'innovazione nasce soprattutto da una stretta sinergia tra: Questa sinergia è favorita dall'elevato tasso di aggiornamento del parco terminali radiomobile e degli strumenti di sviluppo, che favoriscono un rapido aggiornamento dei servizi e delle applicazioni.
Peraltro i requisiti e le caratteristiche tecniche e di mercato delle applicazioni dati implicano radicali cambiamenti delle modalità d'uso della risorsa radio (pacchetto) e dell'architettura di rete complessiva.

1. Evoluzione dei terminali e applicazioni

Il mercato radiomobile, in fase di evoluzione rapida e di competizione particolarmente aggressiva, richiede all'operatore una forte capacità strategica di risposta in termini di innovazione e di cura del cliente. Di conseguenza lo sviluppo di soluzioni applicative e sistemistiche per ambiente mobile sarà sempre più focalizzato sull'attenzione alla possibilità di personalizzazione e differenziazione in accordo ai requisiti di utente. La crescita vorticosa del numero di clienti mobili è accompagnata da un'elevatissima velocità di ricambio del parco terminali, creando così l'opportunità di introdurre facilmente nuovi servizi basati anche su caratteristiche innovative del terminale. Già attualmente per quanto riguarda l'accesso ai servizi a valore aggiunto i terminali si stanno differenziando come "voice centric"(smart phone) e "information centric"(communicator). Tale trend sarà confermato anche per i terminali di terza generazione, dove saranno presenti terminali tipicamente multimediali per servizi video e di browsing evoluto.
La recente disponibilità di nuovi ambienti applicativi per la fornitura di servizi a valore aggiunto di mobilità GSM, quali SIM Application Toolkit, WAP (Wireless Application Protocol definito dal WAP Forum, che comprende tutti i principali attori del mondo mobile e IT) e MExE (Mobile Execution Environment, standard ETSI che recepisce WAP e Java come punti cardine) prospetta un nuovo scenario rispetto al passato, in termini di possibilità di sviluppo e supporto di applicazioni dati o integrate dati e voce sia per il mercato orizzontale, che per le corporate, oltre che come strumenti di realizzazione di soluzioni verticali.
I servizi WAP permettono, utilizzando il solo telefonino GSM, di accedere in maniera interattiva ad informazioni ed applicazioni residenti su un server web. Tale funzionalità è consentita dall'introduzione di un micro-browser all'interno del telefonino, e permette di offrire servizi applicativi a valore aggiunto. I servizi possono essere realizzati sia per il mercato business che per quello consumer (servizi informativi come notizie economiche o sportive e dispositivi come il mobile banking e il mobile commerce) e si basano sui protocolli del mondo Internet, ottimizzati per rispondere alle limitate capacità di banda e di visualizzazione dei telefonini; la connessione avviene come trasmissione dati (in futuro a pacchetto) verso la rete mobile, dove è collocato un gateway di protocolli (WAP server) tra il mondo mobile GSM e quello di server applicativi IP.

FIGURA 1 - Architettura Servizi VAS

I servizi basati su SIM Application Toolkit sono basati sulla capacità crescente di elaborazione e memorizzazione offerta dalle carte SIM (ad oggi 16kbyte, di cui 8 dedicati a 3-4 applicazioni disponibili per il cliente); tali servizi sono uno strumento unico per la "customer retention" in quanto la SIM è percepita dal cliente come elemento distintivo dell'operatore. I servizi a valore aggiunto (home-banking, e-commerce, applicazioni location-based) sono inoltre personalizzabili attraverso un meccanismo di caricamento "over the air" e costituiscono un approccio complementare a WAP. La connessione avviene tramite l'invio e la ricezione di short messages, guidati da menù, verso la rete mobile, che li inoltra verso server applicativi.
Lo scenario è ancora più complesso considerando che parallelamente alla disponibilità di questi ambienti applicativi sono resi disponibili nuovi servizi portanti GSM di fase 2+ come GPRS (General Packet Radio Services). Da qui deriva la necessità di definire un "mix tecnologico" per l'introduzione di ogni nuovo servizio considerando le diverse alternative di terminali, servizi portanti infrastrutture a supporto (SIM Application Toolkit, WAP) e evoluzioni verso UMTS.
Per quanto riguarda le soluzioni applicative rese disponibili dalla soluzione di rete mobile di terza generazione (UMTS) i principali trend saranno guidati dalla nascita di terminali evoluti (dotati ad esempio di display a colori ad alta definizione o add-on di tipo "paper-like" display, o di telecamera integrata) e dalla disponibilità di accesso a larga banda e a pacchetto. Si pensa inoltre che la caratterizzazione dell'UMTS varierà a seconda dei paesi, permettendo anche una forte estensione della capacità di trasmissioni vocali (come ad esempio per il Giappone) o distinguendosi per l'uso di servizi multimediali ad alto bit-rate (in Europa ed in particolare in Italia) e mantenendo sostanzialmente la trasmissione voce su GSM. I settori applicativi trainanti per le evoluzioni su UMTS saranno:

Lo sviluppo di questi settori applicativi si avvale di piattaforme di supporto che mettono a disposizione elementi di base, funzionalmente in rete, che sostanzialmente sono raggruppabili secondo tre categorie:

2. Evoluzione dei servizi dati nel GSM

L'evoluzione dei servizi di trasmissione dati definiti per la Fase 2+ dello standard GSM è guidata da due obiettivi principali: il primo è il superamento dell'attuale limite di velocità fissato a 9.6 kbit/s, il secondo consiste nell'introduzione della modalità di trasmissione a pacchetto anche sull'interfaccia radio.
Le soluzioni dati attualmente disponibili sul sistema GSM sono: La soluzione High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) [1] rende disponibili, alla singola chiamata, multipli della capacità del canale elementare (9.6 kbit/s o 14.4 kbit/s in funzione del tipo di codifica). In tal senso rappresenta l'estensione naturale del servizio dati "monocanale" oggi disponibile. La soluzione è relativamente semplice e può essere introdotta in rete con modifiche lievi (capacità di controllo multicanale, funzioni di adattamento).
Se le modifiche si limitano al livello di rete, mantenendo nel terminale un unico transceiver, le configurazioni di servizio della singola chiamata sono soltanto di due tipi: Soluzioni di terminale (e di rete) più evolute possono raggiungere capacità trasmissive fino a 4 o 8 volte la capacità del canale elementare.

FIGURA 2 - Architettura della soluzione HSCSD

La soluzione HSCSD impegna le risorse radio secondo la modalità a circuito. Risulta quindi adatta a supportare servizi a bit rate costante, con requisiti di ritardo relativamente stringenti e requisiti di capacità elevata. Per questo motivo presenta notevoli limiti di flessibilità nell'uso delle risorse radio.
La soluzione General Packet Radio Service (GPRS) [2] utilizza i canali radio secondo schemi a pacchetto (con prenotazione). Utilizza le risorse radio in modo flessibile e può adattarsi a svariate esigenze di servizio. Sono possibili due schemi di utilizzazione delle risorse di cella: con risorse (canali) dedicate o con risorse attivate su richiesta. La scelta tra le due opzioni potrà essere effettuata sulla base delle esigenze locali del traffico dati e delle politiche tariffarie adottate. Per ogni canale di traffico assegnato al servizio GPRS saranno disponibili, in funzione della codifica adottata, capacità da 9 a 21.4 kbit/s.
Il servizio GPRS consente un utilizzo efficiente delle risorse di rete per quelle applicazioni che richiedono trasferimento dati a pacchetto le cui caratteristiche di traffico sono almeno una delle seguenti:

Il sistema GPRS impone di introdurre in rete nuovi apparati (nodo a pacchetto e gateway verso le reti dati) che in pratica costituiscono una rete parallela a quella per servizi voce (di questa condivide la parte di accesso radio e le risorse di localizzazione). La necessità di introdurre queste nuove entità sembrerebbe rappresentare un vincolo non indifferente o un elemento di debolezza rispetto alla soluzione HSCSD.
Tuttavia la configurazione GPRS presenta due tipi di vantaggio:
FIGURA 3 - Architettura della soluzione GPRS

La prima caratteristica deriva dalla flessibilità di impiego della commutazione di pacchetto per servizi dati con forti livelli di variabilità della capacità richiesta; la seconda dal fatto che il GPRS già utilizza per il trasporto protocolli del tipo IP. Quest'ultimo protocollo sarà probabilmente adottato nel sistema UMTS, sicuramente almeno per il traffico dati.

3. Servizi IP con accessi mobili

L'offerta di servizi basati sull'Internet Protocol (IP), come ad esempio l'accesso ad Internet o l'accesso alle Intranet aziendali, attraverso i sistemi mobili tradizionali risente delle limitazioni intrinseche a questi sistemi nel trattamento dei dati. Tra le principali limitazioni si ricordano: la banda limitata (9.6 kbit/s per il GSM), i tempi di set-up delle connessioni, l'inefficace uso delle risorse radio e la tariffazione a tempo.
Le diverse evoluzioni in atto o previste per il sistema GSM vanno nella direzione di superare queste limitazioni. Come indicato in precedenza, l'avvento del sistema GPRS rappresenterà un punto di svolta estremamente significativo, perché comporterà l'introduzione di caratteristiche innovative quali la commutazione a pacchetto ed un uso più consono ai dati dell'interfaccia radio. La rete GPRS avrà inoltre la capacità di interfacciarsi in modo nativo verso le tradizionali reti IP (Internet Service Provider -ISP-, Internet, Corporate networks) attraverso apparati di gateway che nei confronti del mondo IP risultano a tutti gli effetti dei router.
Queste evoluzioni sono foriere di interessanti opportunità per gli operatori mobili: espandendosi ben oltre i confini del loro tradizionale mercato della fonia, essi possono aspirare a diventare non solo Access Provider verso le reti IP possedute da terze parti ma anche ISP essi stessi.
L'insieme dei vantaggi apportati dal GPRS ha un suo rovescio della medaglia nella complessità architetturale del sistema, che relativamente all'offerta di servizi IP non è immune da alcune inefficienze. I motivi di questa situazione sono da ricercarsi nell'origine della specifica del sistema GPRS, che iniziata alcuni anni fa si era posta l'obiettivo di offrire agli utenti dati servizi sia IP sia X.25. L'interesse verso i servizi X.25 è successivamente diminuito, ma il sistema GPRS che è stato standardizzato resta in grado di supportare entrambi i servizi, a scapito di possibili ottimizzazioni nelle soluzioni tecniche per offrire il solo servizio IP.
Contemporaneamente all'evoluzione dei sistemi mobili, anche all'interno delle reti IP sono sorti e stati affrontati problemi per il supporto della mobilità. Le esigenze di poter accedere alla rete Internet indipendentemente dal punto (e dalla tecnologia di rete sottostante) di collegamento o quella di poter accedere da remoto ai servizi di rete Intranet sono state tra le più forti emerse nel mondo IP negli ultimi anni. Tali esigenze hanno portato allo studio ed allo sviluppo di componenti di servizio utili allo scopo: meccanismi di autenticazione ed accounting, tunneling, tecniche per aumentare la sicurezza delle comunicazioni, strumenti per permettere il roaming tra ISP diversi. Inoltre l'IETF (Internet Engineering Task Force) ha sviluppato una tecnica di routing denominata "Mobile IP" [3], che è capace di superare le tradizionali limitazioni del routing IP per supportare la mobilità di terminali tra sottoreti (macro-mobilità). Questa tecnica, che pure presenta molte somiglianze con le tecniche di gestione di mobilità proprie del sistema GSM, sfrutta i meccanismi propri dell'Internet Protocol e risulta ottimale per l'offerta di servizi di mobilità in reti IP.
Il modello "Mobile IP", nei suoi aspetti di base, ha oggi raggiunto un buon livello di maturità ed è sostanzialmente pronto per essere utilizzato all'interno delle reti IP. In una prospettiva più evolutiva sono recentemente comparse le prime proposte di estensioni di questo modello per gestire la micro-mobilità (ad esempio al livello della cella radio) che prefigurano nuovi scenari in cui il controllo della mobilità viene effettuato completamente con tecniche nate nel mondo IP.
A partire dalle evoluzioni in atto nel mondo IP, i tradizionali ISP potrebbero evolvere per offrire servizi di mobilità, così come i tradizionali operatori mobili stanno avanzando verso il mercato dei servizi IP. Nell'evoluzione di più lungo termine è pertanto ipotizzabile una convergenza di interessi che potrebbe portare ad un nuovo, più ampio mercato per i servizi IP mobili, in cui competeranno attori con diverse provenienze.
Dal punto di vista tecnologico, le parallele evoluzioni dei sistemi mobili e delle reti IP portano ad interessanti possibilità di nuove soluzioni, che traggono valore dall'integrazione di tecniche e modelli nati in contesti diversi. Per questi motivi, nello sviluppo dei sistemi mobili di terza generazione si sta iniziando a guardare con estremo interesse alle proposte che derivano dal mondo IP.

4. Il sistema UMTS

Per quanto riguarda le prospettive di medio termine, il sistema mobile di terza generazione UMTS [4] è di fatto progettato per rispondere al presunto impatto dei servizi dati su mobile. Le configurazioni di integrazione, la banda assegnata e le capacità minime sono state decise a livello europeo e si fanno carico di fattori quali: Mentre l'esigenza di universalità del servizio poggia sulle funzioni di rete, sui livelli di integrazione (ad esempio con Internet) e sullo sviluppo di funzioni intelligenti, i requisiti di trasporto e flessibilità sono coperti in buona misura dalla modalità di accesso e di uso della risorsa radio scelta per i sistemi di terza generazione.
Rispetto ai sistemi come il GSM, su questo piano vale un cambio di paradigma che è particolarmente significativo proprio per la varietà del traffico dati (classi di servizio) e per le sue caratteristiche di dinamicità in termini di bit rate.
L'accesso W-CDMA accetta per sua natura una vasta gamma di bit rate sullo stesso (unico) canale radio usato dalle stazioni mobili. Addirittura, la cadenza di bit può essere variata lungo la stessa connessione se la sorgente lo richiede. Nei sistemi TDMA, la scalabilità della capacità di trasporto è più direttamente connessa all'uso multiplo dei singoli bearer (time slot) e quindi risulta meno flessibile.
La modalità d'uso della risorsa radio va inoltre vista per il CDMA in un nuovo contesto operativo che evita i piani di frequenza e può essere definito "guidato dall'interferenza" nel senso che le scelte di allocazione della risorsa ad una connessione devono direttamente fare i conti col livello di interferenza presente in quel momento. Tale livello non è infatti garantito a priori, come accade nei sistemi TDMA, dove il piano di allocazione frequenziale (deciso in fase di pianificazione) recupera in sé la necessaria protezione interferenziale.
Soluzioni basate su ATM nella parte di accesso stanno guadagnando credito grazie alle caratteristiche di potenziale affermazione in numerosi contesti (Core Networks delle reti fisse, Backbone per reti dati) e a specifiche caratteristiche che le rendono particolarmente adatte per la rete di accesso UMTS.
Come già detto, i servizi voce rimarranno essenziali anche nell'UMTS. I blocchi radio ricevuti dalla stazione base contengono circa 100 bit per ogni cadenza di trama di 10 ms. La cella ATM per contro, contiene circa 500 bit di informazione. Quindi, l'utilizzo di ATM nella parte fissa della rete d'accesso richiede, per il servizio voce, di limitare le latenze trasmissive, garantendo al contempo una buona efficienza della cella ATM. Ciò può essere ottenuto con il livello di adattamento AAL2 che consente di multiplare più flussi nella stessa cella ATM.
I blocchi radio relativi ai servizi dati, hanno le stesse caratteristiche dei blocchi vocali. In questo caso l'impiego della tecnica ATM nella parte fissa della rete d'accesso si giustifica perché realizza la stessa flessibilità di uso delle risorse garantita dal variable bit rate sull'interfaccia radio.
Infine, la scelta dell'ATM nella rete di accesso ne favorisce l'estensione anche alla rete core dell'UMTS, soprattutto in funzione della finalità di evitare la doppia transcodifica (attualmente presente nel GSM) nel caso di traffico voce mobile-mobile.
Nella Core Network (la parte di commutazione della rete UMTS) si prospetta per i servizi dati una diretta integrazione con la rete IP, con le sue possibilità di networking e con la varietà di servizi e applicazioni già sviluppati per la rete fissa.
Al di sopra del controllore delle stazioni radio base, la dipendenza dalla caratteristiche della parte radio è completamente risolta. Può nascere quindi una diversificazione nel trattamento del traffico voce rispetto al traffico dati.
Gli studi riguardanti il segmento di core network del sistema UMTS sono ancora in corso. Una prima possibilità prevede il mantenimento della separazione fra voce e dati, dove questi ultimi utilizzano un backbone GPRS evoluto. Una seconda alternativa propone una integrazione fra i due tipi di traffico, che può essere realizzata su una piattaforma orientata al circuito e basata su ATM o su una piattaforma orientata al pacchetto e quindi basata su IP. Questa ultima opzione appare particolarmente interessante, in quanto si inserisce a pieno titolo nel filone dell'integrazione fra telecomunicazioni mobili ed Information Technology.

5. Conclusioni

Nei prossimi anni le telecomunicazioni mobili entreranno in una fase di rilevante innovazione. I nuovi requisiti di servizio, soprattutto nel settore dei dati, di capacità e flessibilità delle reti coinvolte e le nuove esigenze di banda radio costituiscono gli elementi su cui si verificheranno i principali eventi di svolta. Le scelte di sviluppo per l'operatore derivano in particolare da alcuni fattori gestionali e di mercato che già oggi condizionano lo sviluppo delle comunicazioni mobili: Questi elementi devono essere considerati anche nell'ottica di medio termine, allo scopo di predisporre strumenti e capacità di controllo in relazione alle soluzioni che verranno via via prospettate. Gli operatori di reti e servizi cellulari e in certa misura quelli di rete fissa, dovranno infatti affrontare problemi gestionali e di servizio in situazioni significativamente diverse rispetto a quelle attuali.

Bibliografia

[1] "High Speed Circuit Switched Data (HSCSD); Stage 1", ETSI GTS GSM 02.34 v5.2.0
[2] "General Packet Radio Service (GPRS); Service description; Stage 1", ETSI GTS GSM 02.60 v6.1.0
[3] C. Perkins, "IP Mobility Support", IETF, RFC2002, 1996
[4] Special Issue, "Third Generation Mobile Systems in Europe", IEEE Personal Communications Magazine, vol. 5, n. 2, Aprile 1998