RICERCA ITALIANA     

Soluzioni progettuali basate su informazioni relative a posizione e situazione in reti radio eterogenee

Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Abstract

Nei sistemi radiomobili di futura generazione si prevede che l'utente sia in grado di accedere alla rete attraverso una della possibili tecnologie a disposizione, quali T-UMTS, S-UMTS, WLAN, sistemi satellitari, piattaforme stratosferiche (High Altitude Platform, HAP). In questo ambito, il programma di ricerca ha l'obiettivo di sviluppare algoritmi e soluzioni progettuali che siano in grado di avvantaggiarsi della conoscenza della situazione/posizione dell'utente o di un nodo della rete, per fornire l'efficiente integrazione delle diverse reti d'accesso.
Con il termine posizione s'intende la posizione geografica dell'utente/nodo della rete, mentre il termine situazione si riferisce sia al contesto sociale in cui si trova l'utente che alle condizioni della rete d'accesso.
La novita' di questa proposta di progetto rispetto alle precedenti o correnti proposte, sia a livello nazionale che europeo, e' che l'informazione sulla posizione/situazione non e' usata per fornire nuove classi di servizi (location-based services, context-based services), bensi' di garantire:
1) una gestione ottimizzata delle risorse e della mobilita';
2) migliorare la Quality of Services (QoS);
3) efficiente integrazione di diverse reti d'accesso;
Il progetto ha specificatamente i seguenti obiettivi:
1) progetto di protocolli e meccanismi ottimizzati per migliorare le procedure di handover orizzontale e verticale, selezionare la rete d'accesso piu' efficiente, ottimizzare l'allocazione delle risorse con l'uso della conoscenza della posizione/situazione.
2) definire l'architettura distribuita necessaria per raccogliere, distribuire e impiegare le misure sulla posizione provenienti da diversi sistemi di localizzazione, e le informazioni sulla situazione dell'utente. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marina RUGGIERI Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata"

Obiettivo del Programma di Ricerca

I livelli di accuratezza raggiunti dagli odierni sistemi di localizzazione hanno alimentato il crescente interesse verso "location-based services". Inoltre, recentemente sono stati proposti algoritmi di gestione delle risorse o della mobilita' che usano questa informazione sulla posizione, in particolare per "smart homes" e sistemi cellulari. Comunque, in entrambi i casi, si considera una rete omogenea. Noi affermiamo che l'informazione sulla posizione/situazione puo' essere usata in reti eterogenee al fine di migliorare l'efficienza dell'integrazione tra le reti d'accesso. Inoltre, nei progetti precedenti, l'informazione sulla posizione e quella sulla situazione venivano gestite separatamente ed avevano un significato "meno ampio" di quello che hanno in questo progetto. Infatti, nell'ambito di questo programma di ricerca, il termine posizione puo' riferirsi alla posizione geografica sia dell'utente che di un nodo della rete (satellite LEO, nodo di una rete di sensori), mentre il termine situazione si riferisce sia al contesto sociale in cui si trova l'utente, che alle condizioni della rete d'accesso (condizioni di traffico, condizioni di canale). Al fine di utilizzare questo informazione sia dal lato utente che dal lato rete, l'informazione deve essere raccolta e distribuita in modo trasparente rispetto all'utente. Quindi, per dimostrare il concetto base di questo programma di ricerca, si devono raggiungere i seguenti obiettivi:

1) progetto di protocolli e meccanismi ottimizzato per migliorare le procedure di handover orizzontale e verticale, selezionare la rete d'accesso piu' efficiente, ottimizzare l'allocazione delle risorse attraverso l'uso della conoscenza della posizione/situazione.
2) definire l'architettura distribuita necessaria per raccogliere, distribuire e impiegare le misure sulla posizione provenienti da diversi sistemi di localizzazione, e le informazioni sulla situzione dell'utente e/o della rete.
Gli obiettivi 1) puo' essere raggiunto attraverso la definizione di nuovi meccanismi per:
– migliorare le procedure di handover orizzontale e verticale attraverso l'uso di informazioni come la posizione, velocita' e direzione dell'utente mobile e combinando questa informazione con quella della situazione della rete;
– selezionare la rete d'accesso che e' in grado di fornire il servizio richiesto dall'utente piu' efficientemente, tenendo conto delle condizioni del canale, la probabilita' di handover e i requisiti di servizio;
– ottimizzare la gestione delle risorse attraverso opportuni meccanismi di scheduling e di controllo dell'accesso;
– ottimizzare l'interfaccia radio (modulazione e codifica adattativa, controllo di potenza);
– adattare il contenuto dela comunicazione in base alla rete d'accesso, il carico della rete, la posizione dell'utente, il tipo di terminale d'utente, la situazione (per es., condizioni di emergenza);
– garantire il richiesto livello di QoS (soft QoS, hard QoS) e garantire un costo del servizio consono alle richieste dell'utente.

Riguardo l'obiettivo 2), l'architettura di riferimento consiste di due nuovi componenti: un " location client" ed un "situation tracer" (ST). Il "location client", che chiameremo Location Enabler (LE), ha il compito di raccogliere le informazioni sulla posizione provenienti da diversi possibili sistemi di localizzazione. Il LE puo' ricevere le informazioni sulla posizione da sistemi di navigazione satellitari (GPS, Galileo) o dalla rete d'accesso come T-UMTS, S-UMTS, WLAN, High Altitude Platforms (HAPs), WPAN.
Il Situation Tracer (ST) e' un'entita' che ha il compito di raccogliere e gestire l'informazione sulla situazione, proveniente dall'utente (es., soldi a disposizione per quel servizio) o dalla rete (condizioni di congestione). Mentre il LE puo' essere un dispositivo come il ricevitore GPS (a se stante, o integrato con il terminale d'utente usato per la comunicazione), il ST e' una funzionalita' distribuita su vari elementi della rete.
Un'obiettivo specifico del progetto e', quindi, la definizione dei meccanismi attraverso cui le diverse entita' logiche devono comunicare tra loro per distribuire tale informazione. In particolare, si devono definire le interazioni tra LE, ST e altre nuove entita' (per esempio, agenti a livello middleware), posizionate in moduli quali Gateways, NCC e ISP o nel terminale d'utente, con l'obiettivo finale di ottimizzare la gestione delle risorse e migliorare la trasparenza dell'accesso alla rete di un utente in una specifica posizione/situazione.
Infine, una volta che l'informazione sulla posizione/situazione e' disponibile all'utente o alla rete e sono stati definiti gli algoritmi per utilizzarla, e' fondamentale stabilire come il terminale possa adattarsi al cambiamento della posizione/situazione. In questo ambito, lo studio di ricevitori riconfigurabili negli specifici scenari d'interesse del progetto, e' di notevole importanza e sara' oggetto di studio di una della AREE di ricerca in cui e' organizzato il progetto. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I sistemi basati su tecnologie wireless, quali WLAN (Wireless Local Area Network) basate su standard 802.11x, Bluetooth, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), FWA (Fixed Wireless Access), piattaforme DVB (Digital Video Broadcasting) terrestri e satellitari stanno entrando sempre di più nella vita degLi utenti influenzandone le abitudini e fornendo loro ulteriori e più avanzati strumenti volti ad incrementare le capacità di comunicazione interpersonale, la possibilità di accesso "ubiquitous" ad Internet e la flessibilità nel supportare servizi multimediali anche in movimento. Allo sviluppo dei citati standard di comunicazione segue di pari passo un'elevata domanda in termini di garanzie di qualità del servizio (QoS) per una grande varietà di applicazioni professionali, personali e sociali. L'approccio finora seguito alla progettazione dei sistemi citati è stato quello di mantenere ciascun sistema indipendente dagli altri in modo da poter utilizzare per ciascuno di essi le tecnologie che meglio soddisfano i particolari requisiti di mobilità, di banda di trasmissione, ecc. relativi ai servizi per cui i sistemi stessi sono stati concepiti. La recente ricerca su base internazionale ha comunque mostrato come la chiave del successo sia rappresentato dall'integrazione delle differenti reti di accesso radio e la capacità di nascondere all'utente il modo con cui le varie reti collaborano sinergicamente per fornirgli una qualità del servizio continuativa (integrazione "seamless") [1-2]. L'efficiente integrazione di sistemi radio eterogenei permette di: aumentare la banda di trasmissione facilitando la gestione delle risorse radio; fornire servizi ad utenti mobili tramite la rete più adatta a fornire quel servizio; rendere le prestazioni meno sensibili alle fluttuazioni delle condizioni del canale. Integrare e far cooperare in maniera trasparente i diversi sistemi wireless non è, comunque, un compito semplice. Infatti, in un ambiente di riferimento così dinamico ed eterogeneo, la qualità del servizio offerta agli utenti può cambiare in maniera significativa essendo essa il risultato di diverse variabili quali, tra le altre: condizioni del traffico in rete, ambiente di propagazione che si sta considerando e presentarsi di eventi imprevedibili (ad esempio emergenze). Diversi progetti internazionali si sono occupati negli ultimi anni dell'efficiente integrazione di tecnologie radio eterogenee [1-3]. Ciò che emerge da tale intensa attività di ricerca sono gli obiettivi chiave da raggiungere nello sviluppo di future reti integrate di telecomunicazione, di seguito elencati:
- adattività [4]: in una rete radio eterogenea capace di fornire servizi multimediali, sia i requisiti di utente che le condizioni della rete sono variabili e quindi la rete deve essere capace di adattarsi ad essi;
- supporto della qualità del servizio [5,6]: la rete deve essere in grado di supportare diversi livelli di qualità del servizio ognuno dei quali in modo continuativo;
- efficienza energetica [7-9]: poiché gli utenti mobili fanno uso di dispositivi portatili alimentati da batterie, un uso efficiente dell'energia disponibile è indispensabile per diminuire la frequenza di ricarica delle stesse.
E' importante sottolineare il peso sempre più evidente acquisito negli ultimi anni dalle piattaforme satellitari GEO/LEO/MEO nel garantire il supporto di sistemi di telecomunicazione terrestri a vasta copertura. La comunità scientifica internazionale, infatti, sembra molto interessata al loro impiego in cooperazione con e reti wireless terrestri, al fine di garantire un'infrastruttura di rete globale in grado di offrire servizi multimediali a larga banda ad una popolazione di utenti sia stazionari (fissi) sia in movimento (mobili). A ciò si aggiunga il fatto che l'utilizzo recente di processori a bordo dei vettori satellitari (OBP, on-board processing) e di piattaforme stratosferiche a bassa quota (HAPs, High Altitude Platforms) [10-12] apre strade verso nuove tecnologie di comunicazione, liberando il sistema satellitare dal suo atavico ruolo di semplice rete di interconnessione tra segmenti di rete terrestre. Le piattaforme stratosferiche in particolare, alla luce della crescente necessità di fornire una copertura globale e flessibile, possono agevolare significativamente l'integrazione del segmento satellitare con il segmento terrestre. Inoltre, diversi progetti condotti dalla comunità scientifica internazionale [12,13] sOno attualmente rivolti alla realizzazione di piattaforme stratosferiche autopilotate progettate per essere estremamente flessibili e a basso costo. Da tutto ciò emerge come i satelliti comincino finalmente ad avere un ruolo attivo all'interno di una futura rete globale, come è giusto che sia, e siano in grado di porsi come una rete cooperante o addirittura complementare alla rete fissa. Un'infrastruttura di rete siffatta non può che essere basata sul protocollo IP (rete "all-IP"). A comprova di ciò e' l'osservazione che elemento comune a gran parte delle architetture wireless eterogenee finora proposte è rappresentato dall'utilizzo del protocollo di rete IP (Internet Protocol) [14,15] con le sue varianti per reti mobili (mobile-IP, Cellular-IP ed HAWAII).
Il programma di ricerca si inserisce nel filone citato e si propone come obiettivo primario quello di contribuire a fornire soluzioni progettuali che garantiscano una efficiente integrazione di sistemi radio eterogenei. La rete eterogenea che verrà considerata è dunque di tipo multi-strato: essa è composta dal segmento satellitare (satelliti GEO, MEO, LEO), dal segmento stratosferico (HAP) e dal segmento terrestre (UMTS, WLAN). Dalla letteratura emerge che un approccio multi-protocollare come quello che si e' scelto di adottare può portare ad una ottimizzazione delle prestazioni a livello locale (strato singolo) o globale (ottimizzazione fra strati) [4,16]; chiaramente nel caso di ottimizzazione globale si ha un miglioramento delle prestazioni del sistema rispetto ad una ottimizzazione locale, ma a discapito di una maggiore complessità realizzativa. La caratteristica principale di tali reti wireless multi-strato è che partendo dallo strato terrestre e salendo verso lo strato satellitare GEO, si ha una diminuzione della banda di trasmissione per unità di area. Per questa ragione l'unico modo di utilizzare efficientemente gli strati più alti dell'architettura è quello di sfruttarli principalmente per applicazioni broadcasting/multicasting. Fino ad ora infatti l'applicazione killer dei satelliti GEO è stata la distribuzione video digitale, ma l'integrazione del satellite con sistemi terrestri e/o stratosferici ne può ampliare l'utilizzo, per esempio fornendo servizi interattivi. In una siffatta architettura multi-stratificata, i satelliti in orbite LEO/MEO e le piattaforme stratosferiche devono essere considerati come nodi mobili della rete. Inoltre, è prevedibile che tale rete eterogenea di comunicazione verrà integrata con un sistema satellitare di navigazione (per esempio Galileo o GPS: Global Positioning System) che renda possibile la localizzazione dell'utente e/o dei nodi mobili della rete. E' infatti una tendenza attuale delle industrie di elettronica di largo consumo, quella di integrare ricevitori GPS di piccole dimensioni ed a basso consumo in telefoni cellulari di seconda o terza generazione [17-18]. L'originalità introdotta nel presente programma di ricerca e che lo contraddistingue fortemente da altri studi precedentemente affrontati è nel proporre nuove soluzioni che nell'ambiente eterogeneo illustrato si avvantaggino della conoscenza della locazione dell'utente mobile o dei nodi della rete [19-24], e che tengano conto della situazione in cui si trova l'utente o la rete [25]. Nessuno dei progetti precedenti infatti sfrutta queste informazioni sulla situazione e sulla posizione, le quali possono riguardare sia l'utente che la rete (o meglio i nodi della rete se di tipo mobile).Un'analisi approfondita è dunque necessaria affinché si possa comprendere come tale concetto possa essere efficacemente sfruttato per abilitare una cooperazione altamente sinergica dei vari sistemi wireless disponibili. In questo programma di ricerca, con il termine posizione intendiamo le coordinate geografiche momentanee degli utenti o dei nodi della rete ed eventualmente la loro direzione e velocità. D'altra parte, il termine situazione si riferisce sia all'utente (contesto sociale in cui si trova l'utente, per esempio in un'ambulanza, in uno stadio, nel traffico cittadino) sia alla situazione in cui si trova la rete di accesso (disservizio dovuto a catastrofi, congestione della rete di accesso e delle altre reti circostanti, variazione a breve/medio/lungo termine della delle caratteristiche propagative del canale). Tali informazioni richiedono un aggiornamento periodico o su richiesta in base alla velocità di variazione delle stesse. Conoscendo la posizione dell'utente ed eventualmente dei nodi mobili della rete e disponendo di un centro di controllo, la rete può risalire ad utili informazioni quali:
- posizione dell'utente all'interno della cella di copertura;
- distanza dell'utente dai nodi di accesso;
- percorso e posizione successiva dell'utente e/o del nodo. Nel caso di reti satellitari LEO, ad esempio, la conoscenza della posizione dell'utente mobile tramite un sistema di navigazione satellitare GNSS (Global Navigation Satellite System) è di notevole aiuto nella gestione della comunicazione [26-28].
Attraverso la conoscenza della situazione [25] in cui si trovano gli utenti o i nodi di accesso, la rete è a conoscenza di:
- stato dei nodi della rete interessati a fornire l'accesso (numero delle richieste di accesso, condizione del canale di propagazione, indisponibilità dovuta a guasti, ecc.);
- stato dei nodi della rete confinanti con i nodi di accesso;
- livello di urgenza e/o di sicurezza da attribuire ad ogni richiesta di servizio. In altre parole, si finisce col legare la gestione delle connessioni al concetto di "situazione" in cui opera l'utente. Esempi molto embrionali di ricerche su tali tematiche sono stati condotti in ambiente UMTS [29] e sarebbe interessante estenderli a scenari di comunicazione più complessi, come quello di riferimento per questo progetto.
La gestione adattativa della comunicazione in ambiente wireless eterogeneo dovrà sicuramente avvenire a diversi livelli di protocollo e non si esclude che alcune delle soluzioni che si intende proporre abbiano una natura cross-layer. Vale a dire, misurazioni di parametri di livello di protocollo inferiore potrebbero essere efficacemente utilizzati dal livello superiore per effettuare le sue scelte in base alla situation/location rilevata. Alla luce delle informazioni acquisite, ad esempio, una stazione base ben progettata in base ai requisiti di "situation-awareness" dovrà essere in grado di monitorare diversi parametri che influenzano le sue prestazioni, con l'obiettivo di ottimizzare le sue prestazioni in base alla situazione attuale [25]. Da un punto di vista fisico, i seguenti parametri possono essere oggetto di osservazione: la severità dell'ambiente di propagazione; i tipi di servizio che la stazione base deve fornire (voce, dati, video); l'intensità del traffico; condizioni di guasto o aggiornamento tecnologico. La soluzione proposta per gestire molteplici modalità di trasmissione è la cosiddetta "connessione trasparente". In questo contesto, le metodologie di tipo "Software Defined Radio" (SDR) rappresentano una delle soluzioni più efficaci per fornire servizi di comunicazione multi-modali, multi-banda e multi-standard [30,31].
Più precisamente, con il termine Software Defined Radio si definiscono quelle tecnologie che consentono di realizzare terminali riconfigurabili (TR) mediante la definizione in modalità software dei diversi layer di trasmissione [32]. In questa prospettiva, l'uso combinato di dispositivi riprogrammabili (DSP) e librerie software che implementino procedure di trasmissione e ricezione del segnale per i diversi standard consentirebbero di progettare terminali riconfigurabili [30,31], in grado di operare in ambienti multi-standard.
Nel progetto di TR i problemi da risolvere riguardano i livelli hardware, software e quelli di elaborazione del segnale. Infatti, ricevitori del tipo sopra descritto non sono ancora realizzabili con la tecnologia corrente. Ad esempio, non è ancora possibile progettare antenne a banda larga capaci di ricevere segnali multi-banDa, nonché convertitori A/D con numero sufficiente di livelli di quantizzazione e frequenze di campionamento sufficientemente elevate. Pertanto, le soluzioni correnti mirano ad utilizzare uno stadio analogico di conversione RF che porta il segnale in frequenza intermedia (IF). Se ci si sposta a considerare dei livelli di rete più alti, nel caso di servizi di tipo dati, TCP/IP è la piattaforma di trasporto più comune. Protocolli di trasporto come il TCP (Transmission Control Protocol) soffrono dell'elevato numero di errori introdotti dai collegamenti radio e dell'asimmetria dei collegamenti tipici delle reti radio eterogenee [33-37]. Un modo per incrementare le prestazioni del protocollo TCP è quello di utilizzare tecniche di recupero dell'errore a livello di collegamento (HARQ). Inoltre l'integrazione di sistemi di broadcasting (per esempio DVB via satellite) con altri sistemi wireless può essere una valida soluzione per fornire collegamenti di ritorno con caratteristiche simili al collegamento di andata, ovviando ai problemi di asimmetria [38].
Come già accennato, l'elemento che possa fungere da collante tra i diversi segmenti di rete wireless (WLAN, terrestre cellulare, HAP, satellite) è senza dubbio il protocollo IP. Dunque, il supporTo di servizi avanzati (multimediali) in ambiente IP da parte del sistema wireless eterogeneo individuato come oggetto della nostra ricerca è legato all'utilizzo di infrastrutture di servizio che supportino la qualità (QoS). Su piattaforme di reti terresti, tali infrastrutture sono ampiamente note in letteratura, si faccia riferimento ai modelli IP di servizi differenziati (DiffServ) [39] e integrati (IntServ) [40]. E' logico pensare quindi alla necessità di una ampia attività di ricerca finalizzata all'estensione e all'eventuale adattamento di tali architetture di QoS ad un sistema integrato di più ampio respiro che comprenda, oltre ai segmenti di rete fissa e radiomobile terrestre, anche quello di rete satellitare. Tali architetture dovranno inoltre essere equipaggiate di algoritmi adattativi che permettano in maniera efficiente ed efficace l'adattamento della QoS di una particolare connessione IP al variare della posizione del terminale e della situazione di congestione dei vari segmenti di rete wireless-IP (sia terrestri che satellitari che sono disponibili nell'area in cui si trova l'utente che sta accedendo ad un determinato servizio.
L'esperienza già maturata dai partner attraverso precedenti programmi di ricerca è strategica per l'impostazione delle attività di un progetto che miri a rispondere alle considerazioni fin qui esposte.
A questo proposito, l'Università di Roma "Tor Vergata" ha maturato esperienza di coordinamento nazionale di programmi PRIN nel progetto CABIS (integrazione di sistemi mobili CDMA, anni 2000-2002) e nel progetto SHINES (integrazione di satelliti e piattaforme stratosferiche, anni 2002-2004), creando un vasto e sinergico gruppo nazionale di ricerca, in cui insistono esperienze sulla componente terrestre, quella satellitare e quella stratosferica. Questa base di partenza per l'attuale proposta offre garanzie di continuità, efficacia e proposizione attiva per il raggiungimento degli obiettivi proposti. <<<