MOBILESoftware Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? ENRICO BURACCHINI PAOLO GORIA ALESSANDRO TROGOLO Nell’articolo è descritta, nell’ambito dei sistemi wireless e dei servizi radiomobili, una panoramica dei concetti dei sistemi SDR (Software Defined Radio) e di CR (Cognitive Radio), delle relative attività di ricerca in Europa e delle recenti attività di standardizzazione in ITU (International Telecommunication Union) e ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Gli autori illustrano poi lo scenario di possibili soluzioni, a medio e lungo termine, legate agli SDR e CR che coinvolgono i nodi di rete e l’allocazione dello spettro. 1. Introduzione Dai primi anni ’80 si è assistito alla crescita esponenziale dei sistemi wireless e dei servizi radiomobili che ha portato alla definizione di numerosi standard. In tale ambito, negli ultimi anni sono emersi i concetti di SDR (Software Defined Radio) e di CR (Cognitive Radio), prima nei contesti di ricerca e recentemente anche in quelli di standardizzazione, come una potenziale soluzione pragmatica: un’implementazione software degli apparati in grado di adattarsi dinamicamente all’ambiente in cui vengono di volta in volta a trovarsi. Infatti, il termine “Software Defined Radio” significa “funzionalità radio definite via software”, intendendo con ciò la possibilità di definire via software quelle funzionalità tipiche di un’interfaccia radio, che normalmente sono implementate nei trasmettitori e ricevitori mediante un hardware appositamente dedicato. La presenza del software di definizione dell’interfaccia radio, implica necessariamente l’impiego di processori, ad esempio DSP (Digital Signal Processor), in sostituzione dell’hardware dedicato, per l’esecuzione in tempo reale del software relativo all’interfaccia radio considerata. Con il termine “Cognitive Radio” s’intende la funzionalità ulteriore di capacità di adattamento e “intelligenza” degli apparati, aggiunta al concetto di “Software Defined Radio”: in questo modo, un apparato “Cognitive Radio” in futuro potrebbe essere in grado di adattarsi alle variazioni delle condizioni radio o di traffico tra diversi sistemi, anche in scenari che prevedano metodologie di gestione dello spettro più flessibili. Nel seguito si intende offrire una panoramica dei concetti di SDR e di CR, delle relative attività di ricerca in Europa e delle recenti attività di standardizzazione in ITU ed ETSI nonchè delle possibili soluzioni a medio e lungo termine. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008 3 in tempo reale. . pensata per la costruzione di sistemi radio flessibili. il conseguimento di due obiettivi principali [1. ad ogni livello della pila dei protocolli.le applicazioni d’utente. riassumendo. ma anche FPGA (Field Programmable Gate Array) e processori general purpose quali. Lo schema di ricevitore SDR illustrato nella figura 1 è definito “ideale” per una serie di motivi BPF LNA ADC Base Band Processing DSP ADC BPF DSP LNA = = = = Analogic to Digital Converter Band Pass Filter Digital Signal Processor Low Noise Amplifier FIGURA 1› Schema di ricevitore Software Defined Radio ideale. senza alcuna possibilità di riconfigurazione.hardware dedicato) con la tecnologia DSP. il cui obiettivo primario è stato quello di espandere il mondo digitale fino allo stadio di frequenza intermedia (IF). • Transceiver in cui si possono definire via software: . in realtà. si pensi. . La conversione analogico digitale viene effettuata subito a radio frequenza. il più possibile. “multi-band”.la banda di frequenza e la larghezza di banda del canale radio. via software. codifica. controllata e programmabile via software. È importante notare che con Digital Signal Processing s’intende proprio il concetto di elaborazione digitale del segnale. La compatibilità di un sistema SDR.service provider. Attualmente l’ASIC è la tecnologia prevalente nella costruzione di trasmettitori e ricevitori. agli sforzi che da anni si stanno compiendo nella realizzazione dei cosiddetti “Wideband Transceiver”. in modo da poter effettuare l’elaborazione del segnale in modo completamente digitale. senza però essere vincolato ad un particolare standard. in quanto non tutte le funzionalità di banda base (ad esempio il Rake Receiver) sono implementate su DSP e. . e le soluzioni circuitali adottate dalle varie manifatturiere risultano essere fortemente proprietarie. Il primo obiettivo. La strada intrapresa. Lo schema “ideale” di un transceiver SDR presenta uno stadio analogico ridotto ai minimi termini: gli unici componenti analogici sono l’antenna. via “downloadable software”. inoltre. ad esempio. non si può ancora parlare di sistemi SDR. 3]: 1) spostare.Dicembre 2008 . La flessibilità di un sistema SDR consiste nella capacità di operare in ambienti “multi service”. è possibile grazie alla sua riconfigurabilità. . Tali parametri possono essere adattati e cambiati da: . tramite l’adozione di convertitori A/D e D/A a larga banda il più vicino possibile all’antenna. infatti. L’obiettivo finale è poi quello di puntare alla costruzione di transceiver interamente digitali. non è esclusivo del SDR. su una board completamente riprogrammabile. equalizzazione. Software Defined Radio Una definizione rigorosa del concetto di Software Defined Radio non esiste. . • Schema di trasmissione/ricezione flessibile ed adattativo. il confine tra il mondo analogico e digitale sempre più verso la radio frequenza (RF). …. nei trasmettitori e ricevitori. si potrebbe usare la seguente definizione [1]: “Il Software Defined Radio è una tecnologia emergente. con uno qualunque dei sistemi radio definiti.utente finale. • Signal processing in grado di sostituire il più possibile le funzionalità radio. implementano l’interfaccia radio e i protocolli di livello superiore. quindi non solo DSP chipsets in senso stretto. lasciando analogica solo la parte RF. 3 .lo schema di modulazione e di codifica di canale. pulse shaping. che. introducendo la possibilità di riprogrammare l’intero sistema.i protocolli di gestione delle risorse radio e della mobilità. • “Air Interface Downloadability”: equipaggiamento radio riconfigurabile dinamicamente.operatore di rete. ad esempio. b) riprogrammabilità del sistema per garantire una modalità di lavoro multistandard. La sostituzione della tecnologia ASIC con la tecnologia DSP consente le seguenti opzioni: a) implementazione via software delle funzionalità di banda base quali. “multi-standard”. quelli della famiglia Intel [2]. ad esempio. Alcune definizioni che sovente si trovano in letteratura sono [1]: • Architettura del TX/RX flessibile. al fine di definire. le funzionalità radio. molte stazione radio base UMTS fanno un uso massiccio di DSP e di FPGA per il processing di banda base. 2) sostituire la tecnologia ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit . ma offrendo servizi secondo uno qualunque dei sistemi già standardizzati o di futura standardizzazione. 2.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? 2. su una qualunque banda di frequenze. per l’elaborazione del segnale in banda base. cioè dalla riprogrammabilità dei suoi processori. SDR cerca di fare propri i risultati ottenuti nel campo della costruzione dei Wideband Transceiver. innanzitutto. riconfigurabili e riprogrammabili via software”. il filtro passa banda e l’amplificatore a bassa cifra di rumore. 4 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. modulazione. il software è limitato e pre-caricato per cui l’intero sistema rimane vincolato ad un tipo specifico di interfaccia radio. per arrivare alla costruzione di un sistema SDR. In questi casi. Quindi. sebbene da più fronti sia stata manifestata l’esigenza di chiarire con precisione che cosa si intenda per SDR. L’uso dei DSP rappresenta tuttavia una realtà già affermata. per andare oltre. prevede. i l cisi. il cui BPF = Band Pass Filter schema di ricezione è illuDSP = Digital Signal Processor LNA = Low Noise Amplifier strato in figura 2. contiene i campioni di una portante sinusoidale. non poche difficoltà in entrambi DSP = Digital Signal Processor FPGA = Field Programmable Gate Array gli stadi IF e BB. quenza intermedia (IF) a banda base (BB) • basso consumo di potenza. bit con cui si possono rappresentare i campioni. architettura hardware e software da adottare. La costruzione di un “Digital Radio Transceiver” Software presenta. microprocessori) Il segnale numerico in uscita dallo stadio IF adattativo viene poi sottoposto al processing di banda base. a causa tere tecnologico legati alla potenza di calcolo e al dell’impossibilità di costruire antenne e amplificaconsumo di potenza dei DSP. relativi alla scelta ottimale della utilizzato per i down converter analogici. Peculiarità del SDR • sample rate adaptation: sotto-campionamento Stadio RF a larga banda del segnale in uscita dal filtro di canalizzazione per adeguare il rate dei campioni alla larghezza Multimode/ Stadio di conversione A/D-D/A di banda del segnale selezionato che risulta Flessibilità Multiband/ a larga banda. È necessario reperire tori a bassa cifra di rumore. Inoltre. FPGAs. velocità di campionamento e minore è il numero di NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n.Dicembre 2008 5 . Innanzitutto. tuttavia. • canalizzazione: selezione della portante da elaLa figura 3 riassume le esigenze tecnologiche borare. l’interfaccia radio. applicata PDC direttamente a RF. su una banda di una potenza di calcolo sufficiente da consentire l a v o ro c h e s i e s t e n d e i n t e o r i a d a q u a l c h e l’esecuzione in real-time del software che definisce decina/centinaio di MHz fino alla gamma dei GHz. ADC Band Converter DSP conversione A/D. nello stadio BB vanno risolti problemi di La look-up table sostituisce l’oscillatore locale tipo progettuale. L’impiego di DSP nel processing di banda base Il convertitore analogico digitale (ADC) camdeve in ogni caso sottostare a dei vincoli ben prepi o n a l ’i n te ro spe ttro a lloc a to a l si stema. prima Esigenze tecnologiche della conversione in BB. Questa operazione nei ricevitori anaSDR. • down conversion: conversione numerica da fre• basso costo. la parte RF completamente analogica ed il mondo digitale che si estende fino allo stadio IF. mediante l’impiego di una look-up table che • ridotte dimensioni del transceiver. che risultano particolarmente stringenti se con“Programmable Down Converter” provvede ad siderati dal punto di vista di un terminale mobile: effettuare le seguenti operazioni: • limitata complessità circuitale. Inoltre. non è pensabile l’impiego di un solo Anche in banda base sussistono problemi di caratstadio RF per un sistema “multi-band”. Questo può richiedere l’impiego attualmente l’unico modo per garantire l’operabidi più processori in parallelo a seconda della comlità in “multi-band” è quello di costruire più stadi plessità delle interfacce radio da implementare [4]. o limitare la stadio unico RF ad una gamma di frequenze b e n l i m i t a t a e p re c i s a . La soluzione che risulta LO al momento più praticabile è RF stage IF stage BB stage nota con il nome di “Digital ADC = Analogic to Digital Converter Radio Transceiver”. Signal con elevata capacità elaborativa Adattatività Processing (DSPs. problemi di jitter Programmable Base Down re n d o n o i m p r a t i c a b i l e l a BPF LNA BPF Ampl. 3 . ad alta velocità Multistandard essere un segnale a banda stretta se paragoe risoluzione nato al segnale a tutto spettro in ingresso al Dispositivi di signal processing convertitore ADC. Per lo stadio IF sussistono proSDR = Software Defined Radio blemi essenzialmente di natura tecnologica legati alle prestazioni dei convertitori A/D e D/A che FIGURA 3› Esigenze tecnologiche per la realizzazione di un terminale impongono una scelta di compromesso tra velocità di campionamento e risoluzione: maggiore è la Software Defined Radio. logici viene effettuata mediante un filtro analogico. mediante una operazione di filtraggio per una completa realizzazione di un apparato numerico.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? che lo rendono di difficile realizzazione pratica. con specifiche alquanto rigorose. La sua LO = Local Oscillator struttura ricalca quella norPDC = Programmable Down Converter malmente adottata per i “Wideband transceiver” con FIGURA 2› Schema di un ricevitore Digital Radio. RF a seconda delle bande di impiego del sistema SDR. di Pre-Process Parse adattare il consumo di potenza e la tecnica di OBSERVE LEARN ricerca della rete alle abitudini dell'utilizzatore. Infatti una soluzione commerciale di BTS SDR. mentre la parte RF prevede un processo di canalizzazione e di down-conversion. in cui i vincoli di consumo e spazio disponibili sono minori rispetto ad un terminale mobile. un dispositivo CR differisce dagli altri dispositivi radio per la possibilità di apprendimento. Un CR è un'entità che percepisce il relativo ambiente. un dispositivo CR agisce States seguendo due obiettivi primari [9]: Prior 1) alta affidabilità della comunicazione senza Save Global States States vincoli di spazio e di tempo. Cognitive Radio e Cognitive Networks Il termine Cognitive Radio (CR) è stato utilizzato per la prima volta da Joseph Mitola III nel 1999 [8] per indicare il concetto di un sistema wireless che ha consapevolezza dell'ambiente in cui si trova e della propria struttura interna. A tale proposito. Un dispositivo CR può perInfer on URGENT Context Hierarchy: IMMEDIATE sino apprendere dalle informazioni che sono scambiate dall'utente al fine. pur non essendo questo un requisito strettamente necessario. il beneficio di una piattaforma SDR è sicuramente notevole. GSM e CDMA). come ad esempio quella del trial di Vodafone con stazioni radio base SDR multi-modo che supportano simultaneamente GSM e WCDMA [6]. Message Allocate Resources Set ACT Initiate Process(es) Display Mitola definisce il CR come “il punto in cui i wireless Personal Digital Assistants (PDAs) e le relative reti sono sufficientemente intelligenti in FIGURA 4› Cognition Cycle proposto da Mitola [8]. la FCC (Federal Communication Commission) afferma che qualsiasi dispositivo radio in grado di adattarsi allo spettro disponibile dovrebbe essere indicato come “Cognitive Radio” [10]. condividendo le risorse elaborative. per esempio. 3. Tuttavia. New In generale. Una soluzione come quella di Vanu è in linea con l'approccio “Digital Radio Transceiver” descritto sopra per cui le funzionalità di bandabase sono interamente realizzate in software. in quanto permette di realizzare le funzionalità di apprendimento e ragionamento del dispositivo via software tramite algoritmi di alto livello. ma i requisiti di un CR non prevedono di essere basati su software o di essere riprogrammabili”. oppure per informarsi sull'uso dello spettro nella zona in cui si trova e quindi seleORIENT zionare le Base Station (BS). La definizione data da Mitola è molto ampia. ad esempio adattativi o di machine-learning. pertanto solitamente un dispositivo che rispetti tale definizione viene indicato come “Full Cognitive Radio”. La sezione RF della soluzione Vanu è del tutto “off the shelf” e prevede in principio un blocco distinto per ciascuna banda licenziata utilizzata dall'operatore con una banda massima di campionamento pari a 25 MHz. merito alla gestione delle risorse radio ed alle relative procedure di comunicazione machine- to-machine al fine di: (a) identificare i bisogni comunicativi dell'utente in funzione del contesto di utilizzo e (b) fornire le risorse radio ed i servizi wireless più adatti a tali bisogni. è offerta da Vanu [5]. Altre soluzioni simili sono disponibili. ma non risulta ad oggi disponibile un sistema di riconfigurazione dinamica. Pertanto.” Su questa base. un CR può selezionare automaticamente il servizio migliore per una data trasmissione radio e può persino gestire temporalmente le diverse trasmissioni secondo le risorse disponibili.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? I vincoli suddetti fanno sì che le prime soluzioni SDR saranno principalmente presenti nelle stazioni radio base. Più precisamente. le soluzioni SDR di ICERA per modem HSDPA/HSUPA [7]. Una rappresentazione di tali funzionalità di apprendimento e di azione di un dispositivo CR è data dal “Cognition Cycle” [8] indicato nella figura 4. la definizione data da FCC è la seguente: “Un Cognitive Radio è un dispositivo radio che può adattare i parametri di trasmissione sulla base dell'interazione con l'ambiente in cui opera. 3 . ottiene informazioni dai dati raccolti. in principio ogni CR è basato su una piattaforma SDR. Al momento gli standard implementati sono il GSM/GPRS e il CDMA 1xRTT mentre è in via di sviluppo il WCDMA. La maggior parte dei dispositivi CR sarà probabilmente basata sulla tecnologia SDR. identifica le strategie da adottare dalle informazioni raccolte e trasforma queste strategie in azioni. Un CR può sfruttare l'esperienza pregressa e la propria capacità di comprensione per migliorare meccanismi di adattamento già noti (quali ad esempio link-adaptation sulla base della stima di canale). Tale soluzione prevede la possibilità di operare con più standard in parallelo nella stessa BTS (es.Dicembre 2008 . Infatti. già disponibile sul mercato e basata su banda base completamente implementata su processori della famiglia Intel e software proprietario. o. gli Access Point (AP) o in generale i nodi dell'infrastruttura di ESTABLISHED PRIORITY rete più opportuni. NORMAL PLAN Register to Current Time DECIDE 6 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. lato terminale. ne raccoglie i dati. Recentemente il termine CR è stato utilizzato con definizioni più circoscritte. Outside Send a World 2) utilizzo efficiente dello spettro radio. non per il fatto di essere basato su SDR. che né lo stato “Orient” né lo stato “Act” forniscono input allo stato di apprendimento. Da evidenziare è anche l’apertura in ambito Europeo di un comitato il cui mandato è quello di compiere uno studio di fattibilità su alcune tematiche relative al SDR. tenendo conto che un errore di rilevamento in questa fase può portare il dispositivo ad agire in modo sbagliato e persino dannoso. pertanto. in ambito ITU-R.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? Il “Cognition Cycle” rappresenta l'insieme degli stati. il TC RRS (Technical Committee Reconfigurable Radio System) affronta tematiche riguardanti gli aspetti di sistema (architettura e requisiti) dell’architettura dei dispositivi radio riconfigurabili (quindi sia lato terminale che lato rete). 3 . Pertanto. identificare e classificare le diverse situazioni (in modo da poterle riconoscere in futuro e agire di conseguenza) tenendo conto del comportamento dell'utilizzatore e dei risultati ottenuti. Un aspetto importante che va tenuto in conto è la fattibilità dei dispositivi CR. In particolare. l'affidabilità. CR e CRS. nel gruppo WP 5A è in corso la preparazione di un documento che descriva nella loro interezza i CRS. gli aspetti di maggior interesse per la ricerca riguardano la metodologia di conoscenza dello spettro (es. Chiaramente. in quanto permette di avere conoscenza del mondo esterno. una CN è una rete in grado di adattare il proprio comportamento in base alla conoscenza dell'ambiente in cui si trova. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. A seguire. Inizialmente il concetto di “Cognitive Radio” prevedeva l'applicazione al solo dispositivo d'utente. si passa pertanto nello stato “Decide” di decisione della strategia e quindi nello stato “Act” di azione. nel caso di piattaforma SDR. • nella fase “Decide” è importante che il dispositivo selezioni l'azione da intraprendere tenendo conto anche delle preferenze e abitudini dell'utilizzatore nonchè dell'esperienza passata. ma evitando di cercare nuove strategie. infine. In questo caso. il dispositivo deve essere in grado di adattare le diverse fasi del ciclo in base all'apprendimento effettuato. gli stati “Plan” e “Decide” non hanno più necessità di inviare informazioni allo stato “Learn”. però. delle azioni e delle interazioni che il dispositivo CR compie al fine di comprendere e conoscere il mondo esterno e di adattarsi agli stimoli ed alle indicazioni ricevute. Gli output degli stati “Obser ve”. scansione e Cognitive Pilot Channel). A tale proposito. deve anche essere in grado di scaricare il software necessario all'azione per riprogrammare le funzionalità coinvolte. Il primo stato del ciclo è “Observe” nel quale il dispositivo CR osserva il relativo mondo esterno. Il livello “urgent” indica che c'è tempo per selezionare la strategia all'interno dell'insieme delle strategie note. vale a dire di sistemi radio nella loro interezza (terminale e rete) basati su capacità cognitive.Dicembre 2008 7 . il livello “normal” prevede che il dispositivo cerchi anche nuove strategie oltre quelle già note passando nello stato “Plan”. In alternativa. Ultimamente. Un'applicazione molto importante dei CRS è quella delle Cognitive Networks (CN) dove il concetto di “Cognitive Radio” viene applicato al dominio della rete. la rapidità ed il consumo di energia di tale metodologia e. quindi non c'è conoscenza della reazione agli stimoli che avviene in tali stati. “Plan” e “Decide”. • la fase “Plan” permette al dispositivo di determinare le diverse strategie da utilizzare. A tale proposito sono previste tre categorie di urgenza (“immediate”. ciascuna fase del ciclo descritto ha requisiti non banali: • la fase “Observe” è sicuramente cruciale per un dispositivo CR. “urgent” e “normal”). una CN è una rete caratterizzata dalle seguenti due entità e funzionalità: • Cognitive Network Management. • nella fase “Act” il dispositivo deve essere in grado di riconfigurare il proprio stato interno in modo conforme alla decisione presa e. delle funzionalità di rete peculiari dei sistemi riconfigurabili. però. partendo dalla definizione e toccando i diversi aspetti tecnologici e applicativi. con lo scopo di valutarne la possibilità di standardizzazione in ETSI. che riflettono il tempo rimasto prima dell'esecuzione dell'azione stessa. In particolare. si parla sempre più di Cognitive Radio Systems. • Base Stations riconfigurabili. del Cognitive Pilot Channel (maggiori dettagli sono riportati nel seguito dell’articolo) e di sicurezza pubblica. Inoltre. andando a essere compresi nei blocchi “Prior State” e “New State” che indicano lo stato osservato prima e dopo l'azione. pertanto è richiesto che ci sia una completa conoscenza dello stato interno e delle conseguenze di ciascuna strategia. In principio. • nella fase “Learn” il dispositivo deve essere in grado di memorizzare. la gestione della mobilità. in modo da applicarlo a qualsiasi dispositivo della rete. I dati estratti nello stato di ascolto vengono processati preliminarmente nello stato “Orient” durante il quale viene presa una decisione sull'urgenza dell'azione da intraprendere. Infine. Il livello “immediate” indica che non c'è tempo per scegliere una strategia e va intrapresa immediatamente un'azione già predeterminata in passato passando nello stato “Act”. negli ambienti di ricerca e di standardizzazione si sta assistendo ad una generalizzazione del concetto di CR. quindi al terminale mobile. in modo da essere processati facilmente dal dispositivo. il dispositivo passa nello stato “Decide” di decisione della strategia e quindi nello stato “Act” di azione. sono processati nello stato “Learn” durante il quale il dispositivo CR apprende dalle azioni intraprese. • la fase “Orient” prevede di identificare le priorità tra i diversi stimoli dal mondo esterno e l'acco- damento adattativo del processamento dei diversi stimoli. i sensori ed i dati da questi ottenuti. rappresenteranno il mondo esterno attraverso opportuni parametri osservabili. In particolare. Va notato. è anche possibile che le reazioni agli stimoli vengano incluse tra i dati osservati nello stato “Observe”. insieme ai dati ricavati dal mondo ester no. come per esempio le risorse disponibili. . i cognition radio enablers come il CPC ed i terminali riconfigurabili.. La caratteristica principale di tali nodi è quella di avere risorse hardware ed elaborative che possono essere riconfigurate dinamicamente. pertanto. ad esempio. Un aspetto interessante delle CN. QoS. in modo da raggiungere una maggiore efficienza nel loro utilizzo.ict-e3. WiFi . Telecom Italia è membro del progetto e ricopre il ruolo di leader del gruppo di lavoro dedicato alle tecnologie di supporto per la gestione di reti eterogenee.eu). Alcatel-Lucent. olandese) e otto Università e centri di eccellenza. tra cui cinque manifatturiere (Motorola. Deutsche Telekom e France Telecom). con lo scopo di evolvere l'attuale contesto di reti eterogenee verso un framework cognitivo integrato... Telecom Italia è stata membro di entrambi i progetti.. diverse frequenze. iniziato nel 2006. Dal punto di vista costruttivo. tra cui è rilevante il Cognitive Pilot Channel (CPC). Cognitive Network operations are orchestrated by an Access broker BackBone Network Network Management Network Reconfiguration Management Cognitive Radio Multi Standard Base Station (MSBS) Cognitive Radio Multi Standard Base Station (MSBS) Cognitive Network operations are orchestrated by an Access broker BackBone Network Network Management Cellular Systems Metropolitan Area Wide Range Systems Short Range Systems Network Reconfiguration Management 3GPP Post (LTE) 3GPP/ 4GPP WiMax WiMax NG Latest WiFi NG generation (IEEE 802. Il contesto di riferimento del progetto è riportato in figura A. per la conoscenza dello stato dello spettro. In conclusione. di una gestione dinamica del carico.Dicembre 2008 . le caratteristiche dei terminali in ciascuna cella (RAT supportati. Il progetto ha come obbiettivo primario quello di studiare i Cognitive Radio Systems al fine di renderli parte integrante dei sistemi “Beyond 3G” e seguenti. la disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili. è la possibilità di introdurre i cosiddetti “Cognition Radio Enablers”. Il progetto europeo “E3” Il progetto E3 (End-to-End Efficiency) è un Integrated Project (IP) europeo nell'ambito del Settimo Programma Quadro (FP7) di ricerca della Comunità Europea. è attivo da gennaio 2008 ed ha durata biennale. … potendo anche operare in modalità multi-RAT sulla base.) (IEEE 802.. del Sesto Programma Quadro (FP6) di ricerca della Comunità Europea. Nokia e Thales Communications). 8 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n.). francese. Telefonica. quattro Operatori (Telecom Italia.. . come ad esempio il Cognitive Pilot Channel. Le Base Stations riconfigurabili sono i nodi che costituiscono fisicamente la CN. i nodi di gestione delle “Cognitive Networks”. Ericsson. diversi canali. insieme alle funzionalità di Cognitive Network Management può dare agli Operatori strumenti aggiuntivi di gestione delle risorse radio e delle risorse elaborative. bande di frequenza. tale funzionalità può avvalersi di uno schema di gestione delle risorse radio di tipo collaborativo dove le funzioni di decisione sono condivise tra i diversi nodi di rete. e phase II. Il progetto E 3 partecipa attivamente anche alle attività di standardizzazione degli aspetti legati ai Cognitive Radio Systems in ITU-R e ETSI.11a or similar) Legacy handset Cognitive Radio Cellular Phone Terminal Reconfiguration Management Cognitive Pilot Channel Cognitive Radio Cellular Phone Terminal Reconfiguration Management Cognitive Pilot Channel FIGURA A› Contesto di riferimento del progetto E3 (fonte: www. tedesco. le stazioni radio base riconfigurabili possono essere realizzate mediante piattaforme SDR costituendone un’importante ed utile evoluzione.) ed i servizi richiesti da ciascun utente (banda. Fanno parte del progetto ventuno partner. attraverso alcuni dei suoi membri. Soluzioni a medio e lungo termine Di seguito sono descritte le possibili soluzioni a medio e lungo termine legate ai sistemi SDR e CR che coinvolgono i nodi di rete e l'allocazione dello spettro. scalabile ed efficiente.11n. 3 . iniziato nel 2004. 4. In aggiunta.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? La funzionalità di Cognitive Network Management abbraccia le diverse Radio Access Technologies (RAT). Il progetto E3 è la continuazione dei progetti europei E 2 R (End-To-End Reconfigurability) phase I. In particolare. Tale funzionalità può agire sulla base di alcune informazioni in input. le richieste di traffico. in modo da essere utilizzate con diversi RATs. quattro regolatori (inglese. andando a gestire e controllare i nodi della rete al fine di adattarli alla configurazione ottimale di utilizzo delle risorse radio. dove sono rappresentati le diverse entità e funzionalità oggetto di studio: gli accessi radio dei diversi sistemi. vale a dire i dispositivi di supporto alla fase di “Observe” dei terminali. vengono affrontate le tematiche legate alla disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili e agli schemi di gestione dello spettro di tipo dinamico. ridurre dinamicamente il Reconfigurable blocco di una cella o di un insieme di celle HW attingendo ed utilizzando le risorse assegnate alle celle circostanti. I vantaggi per un diverse celle in base al carico presente. in grado di gestire più standard. prima dopo della riconfigurazione la riconfigurazione Un possibile approccio al problema è quello descritto di seguito [11] e rappreGSM = Global System for Mobile Communications UMTS = Universal Mobile Telecommunication System sentato in figura 5. le reti di accesso radio sono in linea quindi. in modo dipendente dalla comFIGURA 5› Architettura di riferimento con stazioni radio base riconfigurabili. plessità e dalla quantità di hardware con cui è stata assemblata. periodicamente. oppure. infatti. In generale. caratterizzate da un blocco minore o nullo.1 BTS riconfigurabili Nelle reti attuali. L’entità di di principio tra loro disgiunte. in una cella con molti terminali che richieconsiderando un insieme ampio di celle adiacenti di dono servizi fornibili esclusivamente dall'UMTS (ad una certa area (es. Ad esemOperatore derivanti dall’utilizzo di una tecnologia di pio (figura 6). aumentando o bili cellulari da gestire siano il GSM e l’UMTS. L’operatore avrebbe quindi a disposizione una rete GSM GSM UMTS UMTS multi-standard riconfigurabile. quindi. ad esempio. considerando i due sistemi GSM e questo tipo. gestita in maniera efficiente ed in grado di adattarsi dinamicamente alle variazioni di traffico di Capacità elaborativa Capacità elaborativa tutte le soluzioni radio presenti. Ad esempio. stazioni radio base in modo che le risorse elaboraLa situazione può cambiare radicalmente nel caso tive siano condivise tra i vari standard in coerenza si prendano in considerazione i sistemi riconfigurabili con il volume di traffico relativo. UMTS. riconfigura dinamicamente le condividono al più gli stessi cabinet. Attraverso l’impiego di sistemi riconfigurabili e di opportuni algoritmi di Radio Base Station A Resource Management (RRM) sarebbe possibile.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? 4. 3 . in alcune zone capacità elaborativa sia riservata all’UMTS. in particolare nel dispiegazione delle stazioni radio base permette. nonostante le stazioni radio base di radio base (es. Il diminuendo il numero di risorse hardware (es. ogni stazione RRM = Radio Resource Management radio base è in grado di gestire un numero massimo di risorse radio relative al sistema per cui è stata progettata. cioè caratterizzate da alte probabilità di zioni radio base in modo che la maggior parte della blocco delle chiamate/connessioni. Dal punto di vista hardware.Dicembre 2008 9 . vari da una zona all’altra al variare delle ore del fornibili con il GSM (come ad esempio la voce). tranRadio Controller è in grado di gestire le risorse sceivers) unicamente in maniera statica e a posteradio dei diversi sistemi che vengono utilizzati nella riori. una città od il suo centro). gli elementi che costituiscono RADIO la rete di accesso radio sono propri del sistema Base Station A CONTROLLER Core cellulare di appartenenza (per esempio BTS e BSC Network Reconfigurable RRM nel caso GSM/(E)GPRS. gati alla core-network. è possiesempio. BTS nel caso GSM e NodeB nel seconda e di terza generazione siano sovente tra caso UMTS) sono di tipo riconfigurabile e sono. videochiamata o trasferimento file ad alte bile che il traffico di uno stesso sistema o di sistemi velocità) e pochi terminali che richiedono servizi diversi. A titolo esemplificativo si prevede che i sistemi radiomoBase Station i NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. ogni base station può essere vista come un apparato in cui è possibile variare la capacità ricetrasmissiva. loro collocate. GSM e UMTS) e le stazioni Inoltre. a valle di successive ri-pianificazioni cellulari. gestione delle risorse radio RRM presente nel allo stato attuale un Operatore radiomobile che Radio Controller ha il compito di monitorare lo voglia operare con più sistemi deve avere una rete stato delle richieste provenienti dai diversi sistemi fisicamente costituita da più reti di accesso che e. in cui sono riportati i nodi di una generica rete di accesso di un sistema cellulare (un Radio Controller FIGURA 6› Esempio di riconfigurazione della capacità elaborativa all’interno di una ed una o più stazioni radio base). di mento delle stazioni radio base. La riconfiguranello sviluppo della rete. quindi. NodeB e RNC nel caso HW ReconfiguUMTS) e non sono interscambiabili tra i diversi ration command sistemi. In generale. rete radiomobile (es. Può inoltre succedere che ci siano celle congeRadio Controller si occuperà di riconfigurare la stastionate. (dette hot spots) in cui il traffico è più consistente. il giorno. compiendo un primo ottimizzare la gestione delle risorse disponibili nelle passo verso le “Cognitive Networks”. sono i più svariati. collestazione radio base riconfigurabile. in una cella con pochi terminali UMTS e mentre celle circostanti siano scariche o caratterizzate da basse probabilità di blocco. broadcaster) in momenti/aree di congestione ed elevato traffico. inoltre. il concetto emergente. essendo nota la banda operativa. se necessario. riconfigura l’hardware delle stazioni radio base. Ulteriori sviluppi possono prendere in considerazione. Il monitoraggio viene eseguito periodicamente e. oppure nel caso si potesse affittare da altri Enti (es. rendendo anche possibile la riallocazione dello spettro ad altri Operatori in aree/momenti in cui lo spettro fosse libero. ad esempio. per ciascuna cella dei sistemi GSM ed UMTS. 10 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? molti terminali GSM il Radio Controller si occuperà di riconfigurare la stazioni radio base in modo che la maggior parte della capacità elaborativa sia riservata al GSM. • semplicità realizzativa degli apparati. In particolare.Dicembre 2008 . Tali blocchi. Questo metodo tradizionale di gestione dello spettro ha numerosi e ben noti vantaggi: • possibilità di controllare l’interferenza tra diversi Operatori/sistemi grazie all’uso di adeguate bande di guardia note e prefissate che comportano un basso livello di coordinamento necessario tra diversi Operatori/sistemi.2 Dynamic Spectrum Management (DSM) Ad oggi la gestione dello spettro è basata sul paradigma dell’assegnazione fissa e di lungo termine. La gestione dinamica dello spettro potrebbe dunque portare a scenari disruptive che modificherebbero l’attuale uso licenziato dello spettro. si stabilisce se sia necessario effettuare una riconfigurazione delle risorse della stazione radio base. si definisce “utilizzatore secondario” qualsiasi entità che possa temporaneamente sfruttare le frequenze non in uso dall’utilizzatore primario. Sulla base delle considerazioni precedenti. Nei casi in cui vige un’allocazione statica dello spettro per ciascun RAT. • la domanda di servizi diversi comporta anche una variazione spaziale dell’uso dello spettro (si pensi ad aree business in cui i servizi vocali e dati sono predominanti mentre servizi televisivi e entertainment sono predominanti in aree residenziali). • sistemi o servizi diversi hanno picchi di traffico in periodi diversi di tempo (si pensi ad esempio a servizi televisivi rispetto a servizi radiomobili). durante tale periodo. verrà aumentata la quantità di risorse elaborative e radio assegnate ad una cella nel caso in cui lo stato di attività di tale cella rilevi una congestione mentre verranno diminuite le risorse elaborative e radio nel caso in cui la cella sia sovradimensionata per l'attuale situazione di traffico. il passaggio di capacità elaborativa tra due sistemi avviene all'interno della stessa stazione radio base mentre il passaggio di risorse radio avviene tra due celle dello stesso sistema. 4. l’entità RRM del nodo Radio Controller. In dipendenza dalle modalità di applicazione delle tecniche di gestione dinamica dello spettro il business di un Operatore radio mobile potrebbe essere modificato. la riconfigurazione agisce su due gradi di libertà: la capacità elaborativa assegnata a ciascun sistema e le relative risorse radio. In generale. protezione civile. Complessivamente. di gestione dinamica dello spettro consiste nel permettere la condivisione di porzioni di spettro tra un set ben definito di sistemi radio al fine di garantire a ciascun sistema la porzione ottimale di spettro necessario in un particolare intervallo di tempo e/o in un particolare luogo per soddisfarne la domanda di traffico corrente. dal punto di vista architetturale sono previsti i seguenti elementi fondamentali: • le stazioni radio base sono realizzate con hardware riconfigurabile. in ambito di ricerca e regolatorio. • i nodi Radio Controller sono in grado di gestire più standard. In particolare. in base al livello di attività GSM e UMTS avvenute nel precedente periodo. Esercito. La riconfigurazione prevede di spostare parte della capacità elaborativa assegnata ad un sistema verso un altro sistema e di effettuare nel contempo il passaggio di risorse radio tra celle dello stesso sistema. i Radio Controller raccolgono le informazioni relative al numero di richieste effettuate e se queste vengono o meno soddisfatte. • l’entità RRM presente nel nodo Radio Controller ha una funzionalità opportuna di monitoraggio dello stato di attività nelle diverse celle di competenza delle stazioni radio base: in caso di architettura flat l’entità RRM risiede nella stazione radio base. Al termine di tale periodo viene eseguita l’analisi dello stato di attività e si valuta l’eventuale aggiornamento della configurazione: per ogni cella. il refarming della banda o anche schemi di allocazione dinamica dello spettro (ulteriori dettagli sono riportati nel seguito) in modo che sia possibile passare risorse radio (frequenze) da un sistema ad un altro. L'operazione di riconfigurazione può prevedere anche una verifica preventiva degli effetti dell'operazione in modo da evitare di portare la rete in uno stato instabile. un simile approccio prevede di non passare risorse radio (frequenze) tra un sistema ed un altro ma solo all'interno dello stesso sistema. sono allocati ad uso esclusivo del possessore della relativa licenza per diversi anni. • bassa complessità anche a livello di controllo regolatorio. un blocco di spettro radio è allocato ad un particolare standard radio (ad esempio GSM o IMT-2000) ed è ulteriormente suddiviso ed assegnato ai diversi Operatori che adottano tale standard. In particolare. detto “utilizzatore primario” il detentore della licenza di utilizzo dello spettro considerato. Questi blocchi di spettro sono di dimensione fissa e sono di solito separati da una banda di guardia di dimensione prefissata. Ci sono comunque alcune considerazioni da fare per questo tipo di gestione dello spettro: • alcuni studi e misure effettuate in USA mostrano come l’effettivo utilizzo dello spettro sia basso in alcune frazioni giornaliere ed in alcune zone [16]. • sulla base dei risultati del monitoraggio dello stato di attività nelle diverse celle di competenza delle stazioni radio base. In particolare. 3 . costituisce il primo Transmitter caso di interfaccia radio conWRAN Base Station cepita fin dall’inizio per operare in accordo a principi propri del Cognitive Radio (CR) [12]. andando cioè a reperire dinamicamente di volta in volta e in maniera opportunistica. 4.Dicembre 2008 11 . NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. si è quindi definito uno standard concepito per operare in accordo ai principi del “Agile Spectrum Access”.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? Lo standard IEEE 802. attualmente in corso di finalizTV zazione. e diversi canali TV broadcast UHF. di cui Telecom Italia è membro. altra natura.1 Dynamic Spectrum Access (DSA) Come accennato in precedenza. mentre in ambito IEEE il gruppo 802. Le soluzioni tecnologiche in grado di abilitare la gestione dinamica dello spettro sono ad oggi divisibili in due categorie ben distinte: una basata su algoritmi di sensing lato terminale onde abilitare l’accesso opportunistico allo spettro (Dynamic Spectrum Access). anche la denominazione WRAN – Queste porzioni di spettro che. quali DRIVE ed OVERDRIVE. Tra questi due estremi sono allo studio soluzioni intermedie che prevedono l’utilizzo congiunto e coordinato delle due tecniche. in ambito regolatorio. ed in alcuni progetti strep quali ad esempio ORACLE. i più attivi su questo fronte sono la FCC americana e la OFCOM britannica. queste tematiche sono attualmente trattate nel progetto E3. In ambito dei progetti di ricerca internazionali. quali ad esempio l’im- piego del Cognitive Pilot Channel (CPC). i gruppi ITU-R WP1B e WP5A hanno ‘questions’ attive su CRS e DSA. ritenuti gli abilitatori tecnologici del DSM. 3 . ne sono degli esempi. dopo alcuni progetti di ricerca del V Programma Quadro. l’altra basata su modalità di coordinamento lato rete. reti governative come quelle militari. campagne di misura effettuate in diverse parti del mondo hanno evidenziato alcune considerazioni sull’attuale gestione dello spettro che possono essere riassunte nei tre punti seguenti [13]: • nonostante una larga parte dello spettro sia allocata e ci sia la necessità di avere spettro aggiuntivo per nuovi servizi. in correlazione con la tematica dei Cognitive Radio Systems. L’obiettivo era quello di defihanno evidenziato uno stato di sotnire uno standard idoneo per garantire toutilizzo delle bande assegnate alle l’accesso wireless broadband fisso agli TV. che si sono occupati di tecniche DSM tra sistemi radiomobili e televisivi digitali (DVB-T e DVB-H). sia il previsto “switchover” utenti residenti in zone rurali.22. In ambito di standard. ma anche la Commissione Europea.33 km Max. • bande non licenziate quali ISM (Industrial Scientifical and Medical) stanno sperimentando un’elevata quanto incontrollata crescita dal punto di vista di utilizzazione dello spettro. Questo a patto che tali dispositivi non arrecassero disturbi ai broadcaster Gli elementi trainanti per questo stantelevisivi detentori della licenza per tali dard sono state sia le misure. Sfruttando le potenzialità messe a disposizione dalle tecnologie CR.2. quali quelle delle reti cellulari. porzioni di banda inutilizzate da sfruttare per erogare il servizio. la tematica è molto sviluppata sia in USA sia in Asia che in Europa. 100 km : CPE denominate “White Spaces”.22 sta studiando problematiche di sua coesistenza con i sistemi televisivi. possono sperimentare elevati utilizzi.22.22. Ad oggi. ma tale utilizzo può variare fortemente nel tempo e nello spazio. • diverse bande licenziate. Nella data zona geografica.22 Wireless MIC WRAN Base Station Lo standard IEEE 802. che frequenze. Typical . sotto la spinta delle liberalizzazioni economiche. La tecno(Febbraio 2009) da TV analogica a TV logia è stata pensata per permettere digitale negli USA che renderà disporaggi di copertura fino a 100 km (da qui nibili ulteriori porzioni di banda. una buona parte di esso rimane sotto utilizzata. sta valutando le opportunità e le problematiche inerenti all’adozione futura del DSM. In Europa. I lavori di specifica sono stati avviati nel novembre 2004 a valle dell’autorizzazione da parte della Federal Communications Commission Wireless americana per l’utilizzo senza MIC licenza della banda assegnata CPE = Customer Premise Equipment MIC = MICrophone ai broadcaster televisivi ed ai WRAN = Wireless Regional Area Networks radio-microfoni da parte di dispositivi radiotrasmissivi di FIGURA A› Esempio di scenario 802. non sono utilizfigura A è mostrato un esempio di scezate dai licenziatari primari sono state nario secondo lo standard IEEE 802. Lo spettro allocato alle reti di pubblica sicurezza. in una Wireless Regional area Networks). in associazione con gli Operatori e le frequenze di utilizzo. Nel caso Inband (figura 7). hardware cognitive radio e sensing dello spettro real-time. il terminale. da aggiornare dinamicamente e coerentemente. in futuro si potrebbero dedicare uno o più canali GSM per la trasmissione del CPC. Il vantaggio di un tale approccio risiede nel non dovere identificare una banda comune a livello internazionale e nella possibilità di riusare quanto ad oggi è già disponibile. il numero di frequenze considerate per le misure ed anche parametri “esterni” e non “controllabili” quali il traffico di rete.Dicembre 2008 . A titolo esemplificativo. il CPC potrebbe essere di aiuto per l’opportuna selezione dell’accesso radio. secondo politiche di gestione delle risorse radio scelte dalla rete e comunicate al terminale tramite il CPC stesso. il CPC verrebbe ad essere un canale logico all'interno dei sistemi radio esistenti. come quelli proposti dallo Stevens Institute of Technology per i sistemi radiomobili GSM e CDMA IS-95 [13]. in cui le informazioni utili per gestire il cambio di cella/sistema sarebbero convogliate al terminale tramite il CPC. operatori) e le relative policies. garantendo la massima precisione. con la possibilità di eseguire il download del software stesso. disponibili in una certa area. con opportuni algoritmi matematici vengono stimate le occupazioni delle risorse radio in termini di time-slots per il sistema GSM e numero di codici per il sistema IS-95. Ad esempio. tutto lo spettro. Affinché il CPC possa operare correttamente è necessario creare un database. Se ne deduce che attualmente il lavoro di ricerca in questo ambito richiede ancora un notevole impegno al fine di elaborare metodologie in grado di garantire un corretto funzionamento delle tecniche di DSA [14]. utilizzando ad esempio la gamma dei 900 MHz e l’interfaccia radio GSM.2 Cognitive Pilot Channel (CPC) Per quanto riguarda le modalità assistite dalla rete. una soluzione oggetto di studio nell’ambito del progetto europeo di ricerca E3 è basata sulla disponibilità di un canale pilota. sono in fase di ricerca soluzioni per permettere di utilizzare lo spettro in modo più efficiente. sia nel tempo che nello spazio. influiscono in modo non trascurabile portando a sovrastimare in alcune occasioni. controllando opportunamente le operazioni di camping e di accesso dei terminali.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? Sulla base di alcune di queste considerazioni. Obiettivo principale del CPC è supportare il terminale. le attività di ricerca si stanno focalizzando sullo studio di diverse metodologie di misurazione dello spettro che cerchino di garantire i requisiti richiesti. All’accensione. dovrà assicurarsi. È quindi evidente come in questo ambito sia fondamentale poter disporre di metodi capaci di misurare l’occupazione spettrale senza ambiguità. sotto forti spinte economico-regolatorie. consentendo un accesso dinamico allo spettro. Basandosi su misurazioni dei livelli di potenza di segnale ottenute attraverso l’impiego di un analizzatore di spettro. il terminale sarebbe in grado di ottenere le informazioni tramite il canale CPC. • supporto per la riconfigurazione e/o software download: il comando di riconfigurazione dei terminali potrebbe essere inviato attraverso il CPC. nell’individuazione delle RAT. infatti. 3 . 12 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. la vera occupazione spettrale e delle risorse radio. con le variazioni spazio-temporali dello spettro. tramite opportune misurazioni dello spettro. 4. abilitato dai rapidi sviluppi degli apparati programmabili e riconfigurabli.2. e a sottostimare in altre. in un futuro contesto multi-RAT con abilitazione della gestione dinamica dello spettro. Lo svantaggio principale consiste nelle possibili limitazioni di banda del CPC. o nella minor possibilità di coordinamento in un contesto multi-RAT/multi-operatore. le soluzioni allo studio sono fondamentalmente due: Outband ed Inband. che contenga le informazioni necessarie (come esempio: sistemi in uso. di poter accedere alle risorse radio senza causare fenomeni interferenziali che possano influire sul corretto funzionamento del sistema primario. un terminale cognitivo che voglia accedere in modo opportunistico (e secondario) allo spettro. basate sul confronto dei risultati ottenuti attraverso l’applicazione degli algoritmi proposti con le effettive risorse radio occupate. sono allo studio metodi per definire ed effettuare misurazioni dello spettro in grado di valutare nel modo più preciso possibile l’utilizzo delle risorse radio. In tale contesto. operante nelle bande di frequenza dei sistemi considerati. relative frequenze. evitando latenze nel camping e consumi eccessivi delle batterie. Analisi simulative. potrebbe non essere conscio dei sistemi disponibili nell’area in cui si trova e/o delle frequenze su cui tali sistemi possono trovarsi ad operare. La possibilità di eseguire anche il software download via CPC dipende fondamentalmente dalla banda a disposizione del CPC. In letteratura si possono trovare diversi esempi di tali metodologie. in fase di camping. trasportando a livelli protocollari più alti (ad esempio il terzo) le informazioni del CPC. nel caso il terminale non avesse a disposizione il software del sistema da riconfigurare. Un altro possibile esempio di utilizzo consiste nel supporto a procedure di hand-over tra sistemi diversi (vertical handover). Da un punto di vista implementativo. hanno dimostrato come le metodologie attualmente proposte siano molto sensibili alla parametrizzazione delle grandezze utilizzate per la stima. in teoria. punta a raggiungere questi obiettivi. la posizione del sensore. In particolare. Il nuovo paradigma del Dynamic Spectrum Access (DSA). senza dover analizzare. modificati opportunamente come necessario. Come primo passo verso gli approcci descritti sopra. Altre funzionalità supportate dal CPC ed allo studio nell'ambito di ricerca sono: • politiche di RRM: in un contesto multi-RAT. affidabilità ed efficienza. Questa modalità permetterebbe inoltre di mantenere il controllo di un eventuale uso dinamico dello spettro da parte della rete. detto Cognitive Pilot Channel (CPC) [15]. In questo contesto. D'altro canto. legate ai sistemi SDR e CR. con i relativi problemi regolatori da risolvere (ad esempio identificare la stessa gamma di frequenza in tutte le regioni ITU). vale a dire di sistemi radio nella loro interezza (terminale e rete) basati su capacità cognitive. Agli utenti sarà garantita una maggiore possibilità d’impiego di sistemi diversi. Gli autori ringraziano i colleghi Sergio Barberis. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. Per le manifatturiere si presenta la possibilità di concentrare i propri sforzi di ricerca. considerando la possibilità di adattamento al traffico descritta in precedenza. Le possibili soluzioni a medio e lungo termine. In generale le tecnologie SDR e CR possono avere impatti per tutte le figure presenti nel mercato delle telecomunicazioni: manifatturiere. è comunque presumibile che debbano essere adattate al nuovo contesto gli attuali processi di pianificazione e gestione. con la potenzialità di una mobilità globale. Operatori. Conclusioni Come descritto in precedenza. coinvolgono i nodi di rete e l'allocazione dello spettro. non solo nazionale o regionale. Nicola Pio Magnani. Paola Bertotto. progettazione e produzione su un set ridotto di piattaforme hardware valide per ogni tipo di sistema e vendibili su ogni mercato. La soluzione Outband invece (figura 8) si riferisce al caso in cui al CPC sia assegnata una gamma di frequenze a sé a livello internazionale o regionale/nazionale. utenti. Antonio Bernini. riducendone quindi i costi. In particolare. in modo da applicarli a qualsiasi dispositivo della rete. variandone il software. prima nei contesti di ricerca e recentemente anche in quelli di standardizzazione. uno schema di gestione dello spettro di tipo dinamico potrebbe portare a scenari particolarmente disruptive che modificherebbero l’attuale regolamentazione e che sono attualmente oggetto di studio a vari livelli. In particolare. Oltre ai già citati possibili impatti sugli scenari di regolamentazione. negli ultimi anni nel mondo delle telecomunicazioni sono emersi i concetti di SDR (Software Defined Radio) e di CR (Cognitive Radio). 3 . C CP in fo CPC = Cognitive Pilot Channel RAT = Radio Access Technology CPC Infrastructure FIGURA 8› Soluzione implementativa Out-Band del CPC.Dicembre 2008 C CP in fo Terminal 13 . come una potenziale soluzione pragmatica: un’implementazione software degli apparati in grado di adattarsi dinamicamente all’ambiente in cui vengono di volta in volta a trovarsi. Maurizio Fodrini. ottimizzati per la fruizione dei servizi richiesti nello specifico contesto di utilizzo. Non è inoltre da trascurare la possibilità per l’utente di usare terminali riconfigurabili sulla base delle applicazioni e delle modalità di sua preferenza. la disponibilità di stazioni radio base riconfigurabili può dare agli Operatori strumenti aggiuntivi di gestione delle risorse radio e delle risorse elaborative in modo da raggiungere una maggiore efficienza nel loro utilizzo. Naturale sarà l’abbassamento dei costi di produzione in virtù di una notevole economia di scala. si allunga il tempo di vita dell’hardware (sia della stazione radio base che del terminale d’utente) allontanando nel tempo il rischio di obsolescenza. Indipendentemente dalla banda necessaria a trasportare le relative informazioni. Inoltre. Per gli Operatori la possibilità di implementare più standard sulla stessa stazione radio base permette di ottimizzare gli investimenti ed una pianificazione efficiente della rete. si parla sempre più di Cognitive Radio Systems (CRS). con opportune modifiche per inserire i protocolli e le procedure tipiche del CPC. 5.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? RATx data RATx data CPC data RATx data CPC data CPC data RATx data RAT1 Time CPC RAT2 MHz Logical mapping over RATx RATx Infrastructure Mesh Terminal CPC = Cognitive Pilot Channel RAT = Radio Access Technology Mesh FIGURA 7› Soluzione implementativa In-Band del CPC. reti in grado di adattare il proprio comportamento in base alla conoscenza dell'ambiente in cui si trovano ad operare. negli ambienti di ricerca e di standardizzazione si sta assistendo ad una generalizzazione di tali concetti. Michele Ludovico. Giorgio Calochira. la riprogrammabilità del sistema consente in linea di principio all’hardware di sopravvivere per un tempo maggiore e di poter essere riutilizzato nel momento in cui i sistemi di nuova generazione faranno il loro ingresso in campo. Di recente. il CPC potrebbe avere un’interfaccia radio dedicata o basarsi su quelle esistenti (ad esempio GSM o UMTS o LTE). Un esempio di applicazione dei CRS sono le Cognitive Networks. Fabio Santini e Franca Venir per il loro prezioso contributo all'attività ed il supporto nella fase di revisione dell’articolo. December 2003. In ambito di standardizzazione. DYSPAN 2005 E2R II Deliverable D6. Chadwick. studiando le tecniche di accesso radio per i sistemi GSM. 13-18. Kamakaris. Dal 2003 è coinvolto nelle attività di TILab dedicate allo studio dei Sistemi B3G. alcuni progetti di consulenza sulla pianificazione UMTS per le consociate estere in Austria (Mobilkom Austria) e Spagna (Amena).. ingegnere delle telecomunicazioni.com www. Goria.201-220.goria@telecomitalia. sulle smart antennas. IEEE Comms.trogolo@telecomitalia. Ha gestito. Sophia Antipolis. Brussels. Magazine. su Software Defined Radio e Cognitive Radio. 4. R. ETSI SDR Workshop. Cordeiro. vol. Regulation and Standardisation Bodies”. SDR/CR e DSM. Trogolo “A radio reconfiguration algorithm for dynamic spectrum management according to traffic variations”. Notice of Proposed Rule Making and Order. è delegato Telecom Italia al gruppo ITU-R WP5A.22: An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radio”. FCC. E. pp.Dicembre 2008 . 6. J. D. In ambito di standardizzazione.vanu. IST) dedicati all’UMTS ed ai sistemi radiomobili di futura generazione. A. Sept 2000. 14 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n.BURACCHINI › GORIA › TROGOLO • Software Defined Radio e Cognitive Radio: un nuovo paradigma per le comunicazioni wireless? — [1] [2] [3] BIBLIOGRAFIA — ACRONIMI AP ASIC BB BPF BS BSC BTS CDMA CN CPE CPC CR CRS DSA DSM DSP DVB-H DVB-T E2R E3 ETSI FCC FPGA IF LNA LTE OFCOM PDC RAT RNC RRM RRS SDR WCDMA WP Access Point Application-Specific Integrated Circuit Base Band Band Pass Filter Base Station Base Station Controller Base Transceiver Station Code Division Multiple Access Cognitive Network Customer Premise Equipment Cognitive Pilot Channel Cognitive Radio Cognitive Radio Systems Dynamic Spectrum Access Dynamic Spectrum Management Digital Signal Processor Digital Video Broadcast . “The Software Defined Radio Architecture”. 03-322. dedicato alla standardizzazione dei sistemi IMT 2000: ad oggi è delegato del 3GPP RAN 1. Ha pubblicato molti articoli su UMTS e sistemi di futura generazione. occupandosi dello studio di tecniche e strategie di Radio Resource Management per i sistemi UTRA-FDD e GSM/(E)GPRS. Alessandro Trogolo. “Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications” IEEE Journal on Selected Areas in Communications. “The Software Defined Radio Concept”. Paolo Goria.it paolo. Ha contribuito alla progettazione e sviluppo di un strumento sw per la simulazione di reti cellulari/wireless eterogenee focalizzato anche sugli aspetti protocollari. che ha incluso le attività dei progetti europei E2R I. no.asp?doc_id=164930 www. February 2007 www. “Software Defined Radio Technology challenges and opportunities”. Dal 2003 gestisce in TILab i progetti relativi a Software Defined Radio e Cognitive Radio. Dal 2003 è coinvolto in TILab in un progetto dedicato alle problematiche dei Sistemi B3G. “A Case for Coordinated Dynamic Spectrum Access in Cellular Networks”. SDR Forum TC 07 C. pp. White Papers and Contributions to Dissemination. è in Azienda dal 1994. Ha quindi contribuito alla progettazione ed allo sviluppo di un simulatore di reti cellulari GSM e (E)GPRS che affronta anche gli aspetti protocollari. Peter E. Mitola et al. “IEEE 802. Challapali.it Enrico Buracchini . è delegato Telecom Italia al gruppo ETSI TC RRS (Reconfigurable Radio Systems). È stato coinvolto in molti progetti europei (COST.buracchini@telecomitalia. Iyer. 2005. Federal Communication Commission Field Programmable Gate Array Intermediate Frequency Low Noise Amplifier Long Term Evolution OFfice of COMmunications Programmable Down Converter Radio Access Technology Radio Network Controller Radio Resource Management Reconfigurable Radio System Software Defined Radio Wideband CDMA Working Party [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] E. vol. White Papers and Contributions to Dissemination.2 “Cognitive Networks: Final Report on Internal Milestones. entra in Azienda nel 1999. Buracchini. Ha lavorato nell’ambito dei progetti europei E2R I ed E 2R II ed attualmente è coinvolto nelle attività di TILab all’interno di E3. May 1995. Dicembre 2007 www.Terrestrial End-To-End Reconfigurability End-To-End Efficiency European Telecommunications Standards Inst. Haykin. includendo anche le attività TILab in E2R I. P. M.com/ J. ingegnere elettronico. E2R II ed E3. Buracchini.sharedspectrum. Mitola. Ha fatto parte della delegazione italiana per il gruppo ITU-R TG8/1.unstrung. Software Defined Radio Workshop. Birru.Handset Digital Video Broadcast . May 1997. “Possibilities and Limitations in Software Defined Radio Design”. nel periodo 20002003. ACTS.1 “Cognitive Networks: First Report on Internal Milestones. Mitola.icerasemi. S. 3 . ingegnere delle telecomunicazioni. Et docket no.” IEEE Personal Communications. 2. 1999. SDR/CR e DSM. J. 23. E2R II e dell’attuale E3. Dall’inizio del 2008 ricopre il ruolo di vice-chairman del WG6 “Cognitive Wireless Networks and Systems” all’interno del WWRF (Wireless World Research Forum). no. Regulation and Standardisation Bodies”.. entra in Azienda nel 2001. In passato è stato coinvolto nelle attività dei progetti IST ARROWS ed EVEREST. Magazine. “Cognitive radio: Making Software Defined Software Defined Radio more personal.com/measurements/ enrico.com/document. Buddhikot. K.it alessandro. IEEE Comms. 2006 Academy Publisher T. (E)GPRS ed UMTS. M. Dicembre 2007 E2R II Deliverable D6.