RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi "Mediterranea" di REGGIO CALABRIA - INFORMATICA, MATEMATICA, ELETTRONICA E TRASPORTI - REGGIO CALABRIA(RC)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonella MOLINARO

Descrizione

Obiettivo della ricerca che l'Unità di Reggio Calabria intende condurre nell'ambito del progetto è contribuire alla integrazione dei segmenti spaziali (satelliti e HAPS) con segmenti terrestri wireless/radiomobili evoluti.
In particolar modo, è interesse dell'unità investigare come utilizzare sinergicamente le diverse modalita' di accesso disponibili in particolari condizioni (determinate sia dalla situazione contingente che dalla posizione dell'utente) per ottenere un accrescimento delle prestazioni in uno scenario di nuova generazione.
Ulteriore finalità è quella di definire, caratterizzare e studiare protocolli e algoritmi per la gestione della mobilità degli utenti nell'ottica della "continuità" del servizio, garantendo opportuni livelli di Qualità del Servizio (QoS).
Il focus sara' sul controllo della continuità della sessione e adattabilità del servizio offerta all'utente che dovra' essere sempre adeguata alle esigenze e alle situazioni.
In particolare, l'Unità affronterà la progettazione di protocolli e meccanismi ottimizzati per migliorare la gestione degli handover intra-system ed inter-system utilizzando la conoscenza di posizione, velocità e direzione dell'utente mobile e combinando queste informazioni con quelle relative allo stato della rete, con l'obiettivo di condurre le operazioni di handover basandosi su specifiche misure di QoS, piuttosto che su semplici misure di potenza. Inoltre, in uno scenario integrato, è necessario permettere all'utente di selezionare il sistema di accesso più efficiente tra i diversi disponibili per fornire il servizio richiesto più efficientemente considerando le condizioni di canale, la probabilità di effettuare un handover ed i requisiti di servizio. Infine,l'Unità di ricerca considererà lo sviluppo di strategie per l'allocazione di risorse a l'ammissione di chiamate che tengano conto della conoscenza di "location" e "situation".
Le applicazioni di riferimento per la nostra ricerca saranno sostanzialmente suddivise nelle due categorie di servizi con natura "hard-qos" e quelli con natura "soft-qos". I protocolli che si intende sviluppare saranno caratterizzati dalla possibilita' di garantire un trattamento differenziato per le due categorie e tenteranno sempre, data la situazione di congestione rilevata della rete e data la posizione dell'utente (e quindi le possibili reti di accesso alternative a sua disposizione), di garantire ai primi e di massimizzare ai secondi il livello di QoS negoziato tra utente e rete.
La piattaforma di riferimento sara' quella di un sistema terrestre wireless/mobile evoluto, con rete di accesso radio del tipo all-IP, che interagisce, oltre che con eventuali reti di accesso (di tipo WLAN, ad-hoc, per es.), con un segmento di rete satellitare/HAPS. L'interesse dell'Unita' di ricerca sara' focalizzato su soluzioni di tipo cross-layer che permettano di rendere dinamico il comportamento di tali protocolli al variare delle condizioni rilevate, della tipologia dell'utente (suo profilo di contesto) e del livello di criticità dell'applicazione (hard QoS/soft QoS).
Le attività di ricerca nelle aree sotto illustrate possono essere condotte con particolare efficacia dall'Unità di Ricerca presso l'Università Mediterranea di Reggio Calabria grazie alle particolari sinergie che sono state create durante attività di ricerca precedenti attraverso l'istituzione di un "gruppo di competenza" composto sia da ingegneri delle Telecomunicazioni che ingegneri Informatici. Si è già in possesso di uno specifico know-how nel campo del controllo della QoS e della gestione delle risorse radio in reti wireless eterogenee adottando tecniche di "profiling" (tipiche degli ambienti informatici). Ciò permette al gruppo presso l'Università Mediterranea di Reggio Calabria di essere altamente efficiente nell'estendere metodologie tipiche dell'Informatica a problematiche di ricerca tipiche delle Telecomunicazioni. Il gruppo del laboratorio ARTS (Advanced Researches into Telecommunication Systems), che sarà direttamente coinvolto nel progetto, ha un buon livello di esperienza riguardo gli aspetti più rilevanti del progetto proposto, quali la QoS adattativa (sia QoS a livello "rete" che QoS percepita dall'utente) in sistemi wireless integrati, la gestione della mobilità in sistemi a copertura multi-tier ,l'integrazione di reti wireless eterogenee (reti satellitari-reti terrestri, WLAN-WMAN, reti cellulari 3G-WLAN, reti cellulari 3G-reti satellitari). Questo Know-how deriva dalla partecipazione a diversi progetti di ricerca industriali ed universitari.

Di seguito sono descritti in maggior dettaglio i contributi che l'unità di ricerca intende dare nelle varie aree previste dall'infrastruttura generale delineata per il progetto.

Area 1 – Definizione degli scenari

Oggigiorno, lo scenario delle comunicazioni wireless è caratterizzato da un alto numero di piattaforme di rete eterogenee, basate sull'utilizzo di tecnologie che sono differenti ma spesso complementari l'una con l'altra. Un dato utente mobile che abbia la capacità di effettuare un roaming tra questi segmenti eterogenei ha la possibilità di accedere ai servizi preferiti attraverso una molteplicità di reti e modalità di accesso, attraversando differenti infrastrutture.
Obiettivo dell'Unità di Ricerca sarà la definizione di scenari eterogenei per telecomunicazioni che sfruttino la complementarietà tra sistemi differenti allo scopo di fornire agli utenti la continuità dei servizi.
In particolare, sarà studiato un sistema con tre differenti livelli di copertura:

1. Livello wireless/radio-mobile terrestre, consistente di tutte le infrastrutture terrestri di tipo wireless come l'UMTS avanzato, reti Wireless LAN, ad-hoc networks con le rispettive reti di accesso radio;
2. Livello HAPs, composto da un insieme di piattaforme stratosferiche a bassa orbita, posizionate ad una altezza intorno ai 20 km;
3. Livello satellitare, formato da satelliti in orbita geostazionaria, posizionati ad una altezza di circa 36000 km. Tale livello fornisce una copertura di tipo geografico, permettendo una diffusione a larga scala dei servizi.

Ovviamente, per garantire la continuità dei servizi offerti anche passando tra le diverse reti di accesso radio, occorre definire nuove entità di rete ed integrarle nello scenario proposto. In particolare, l'unita' offrira' il suo contributo anche alle attività di definizione delle possibili soluzioni architetturali del "Location Enabler" e del "Situation Tracer".

Area 2 – Gestione delle Risorse Radio (RRM)

Nell'ambito della architettura integrata mobile-terrestre/satellite/HAP proposta come scenario di riferimento, l'Unità di Ricerca di Reggio Calabria intende effettuare degli studi finalizzati alla definizione di algoritmi e protocolli per la gestione end-to-end delle risorse allocate alle connessioni. In tale ambito ci si prefigge di affrontare le seguenti problematiche: stabilimento delle connessioni end-to-end tenendo in conto problematiche di controllo di ammissione; allocazione delle risorse utili per garantire un livello di QoS da negoziare all'inizio della connessione e controllo dinamico al variare di "location" e "situation" sulla piattaforma integrata. Inoltre, la possibilità di impiego di accesso a reti differenti durante il servizio suggerisce la possibilità di implementare strategie RRM più flessibili di quelle previste per scenari di singole reti. In tale contesto, l'Unità di Reggio Calabria definirà algoritmi di accesso single-hop (per singoli segmenti di rete) e multi-hop (per segmenti di rete multipli), sfruttando dispositivi di interconnessione quali gateway intelligenti che decidono, in base ad informazioni di "situation" e "location", il segmento di rete più convenientemente utilizzabile ed eseguono le conseguenti operazioni di RRM.
Per rendere velocemente adattativo l'accesso sarà inoltre necessario studiare una corrispondenza tra i diversi servizi bearer disponibili nei vari sistemi, in modo da essere capaci di creare delle connessioni alternative a quelle sussistenti in caso di mutate condizioni. L'adattativita' dovra' essere automatizzata in modo da renderla il piu' trasparente possibile all'utente e cio' potra' essere ottenuto tramite l'utilizzo di tecniche di profiling della connessione. Si intende qualcosa che possa generalizzare i concetti, in corso di studio nei vari forum dell'IETF e del 3GPP, introdotti per supportare le applicazioni di contesto nei sistemi cellulari UMTS. Per generalizzare qui intendiamo passare dal concetto di applicazioni "context-aware" ad applicazioni "situation/location aware".
Oltre alla corrispondenza dei bearer sara' necessario definire indici di qualità per le classi di traffico individuate che possano servire per monitorare sempre la QoS dell'utente e, principalmente, per fissare dei criteri per far scattare, in maniera automatica, l'adattamento alla situazione della modalita' di supportare una connessione.
Inoltre, l'Unità progetterà protocolli e meccanismi per migliorare gli handover orizzontali e verticali utilizzando la conoscenza di posizione, velocità e direzione dell'utente mobile e combinando queste informazioni con quelle relative allo stato della rete, con l'obiettivo di condurre le operazioni di handover basandosi su specifiche misure di QoS, piuttosto che su semplici misure di potenza. Per esempio, sarà interessante l'adattamento ad architetture eterogenee ed implementazione di tecniche di prenotazione di risorse "in advance" che garantiscono la continuità del servizio agli utenti mobili.

Area 3 – Middleware.

All'interno di questa Area, l'attività prevista per l'Unità di Ricerca presso l'Università di Reggio Calabria mira a progettare le entità ed i meccanismi necessari per acquisire, elaborare e distribuire le informazioni relative a "location" e "situation" con l'obiettivo di affrontare le problematiche inerenti la definizione di algoritmi da adottare per garantire la continuità di connessione al livello concordato di QoS (sia hard che soft). L'approccio è basato sull'introduzione di un sistema multi-agente (MAS) a livello middleware.
Dunque, le principali attività da effettuare sono:
1. Definizione del formato in cui sintetizzare le informazioni di location/situation.
2. Implementazione del concetto di "Operatore Virtuale Dinamico Distribuito" e, dunque, definire come distribuire le informazioni nei differenti moduli funzionali dei diversi segmenti di rete; definire come tradurre le richieste degli utenti in parametri di rete in accordo al profilo della connessione, alla condizione dei differenti segmenti di rete accessibili dall'utente ed alle informazioni scambiate con i sistemi di radio-localizzazione.
Più specificatamente, saranno utilizzati formalismi adatti per la definizione del concetto di "Situation & Location", e si definiranno ontologie e comportamenti per ciascuno degli agenti previsti della piattaforma middleware multi-agente MAS. Le ontologie degli agenti verranno memorizzate come documenti XML, leggeri, facili da scambiare ed adatti a risiedere su diversi dispositivi e piattaforme software. Questa caratteristica è cruciale per garantire la gestione delle ontologie degli agenti nei dispositivi operanti in scenari caratterizzati da banda limitata. Saranno definiti lo scambio di messaggi tra agenti e la loro modalità di interazione, mirando nel contempo ad ottenere una buona comprensione delle condizioni di location e situation in cui l'utente sta correntemente operando.
Si definiranno ed ottimizzeranno algoritmi di livello middleware capaci di interagire con i livelli più alti e più bassi allo scopo di ricevere informazioni riguardanti lo stato della rete, la disponibilità di risorse, il tipo di utente ed applicazione e le richieste di aggiornamento del relativo profilo (utente, applicazioni, terminale, rete) e prendere le decisioni più opportune relativamente alla scelta della rete di accesso, alla configurazione dei dispositivi di rete, all'adattamento dell'applicazione utente, ecc.


Area 4 – Software Defined Radio

L'unità presso l'Università Mediterranea di Reggio Calabria non prevede di contribuire alla ricerca portata avanti in tale area.


Area 5 - Simulatori, dimostratori, emulatori

Saranno sviluppati tool per la valutazione delle prestazioni, principalmente tool software di simulazione. Essi saranno opportunamente concepiti per eseguire uno studio delle prestazioni delle varie tecniche e dei diversi algoritmi per il trattamento delle connessioni e la gestione della QoS e per l'implementazione nei differenti scenari di riferimento del concetto di adattabilità delle soluzioni di rete alla "location" e "situation". I diversi tool progettati saranno utilizzati per verificare le prestazioni di aspetti specifici dei prodotti di ricerca delle altre aree del progetto. Non è esclusa a priori la possibilità di integrare qualcuno di questi moduli con lo sguardo rivolto all'implementazione di una piattaforma di simulazione del sistema complessivo (a differenti livelli di protocollo di rete).

I risultati attesi dalla nostra ricerca possono essere, dunque, riassunti come segue:

-Definizione degli scenari di riferimento per le piattaforme integrate per il supporto alle soluzioni di comunicazione che sono adattate alle specifiche situazioni di rete e posizione d'utente.
-Meccanismi (di natura middleware) e protocolli cross-layer adattativi rispetto la condizione di rete e la localizzazione dell'utente per garantire la QoS end-to-end, la gestione delle risorse e della mobilità.
-Studi e raffronti tra differenti approcci di implementazione di algoritmi di handover verticale ed orizzontale e proposte per il loro miglioramento.
-Tool di simulazione/emulazione per l'analisi, la valutazione e la dimostrazione delle prestazioni ottenibili nel sistema wireless integrato oggetto della nostra indagine.

L'attivita' potra' essere organizzata in fasi, strutturate secondo quanto descritto di seguito.

Fase 1 - durata 6 mesi
Proposta e studio di possibili scenari di integrazione tra segmento terrestre e spaziale (satelliti geostazionari, HAP) a supporto di soluzioni di comunicazione adattative in base a "situation" e "location".

Fase 2 - durata 6 mesi
Definizione di tecniche di allocazione e gestione delle risorse, di gestione della mobilità e di meccanismi per l'adattamento della comunicazione (a diversi livelli protocollari) in base a "situation" e "location".

Fase 3 - durata 6 mesi
Progettazione di strumenti di simulazione adatti all'analisi delle tecniche, dei protocolli e dei modelli proposti nella fase precedente.

Fase 4 - durata 6 mesi
Implementazione degli algoritmi e dei modelli proposti e sviluppo di tool software per effettuare confronti e valutazione delle prestazioni.