RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Sistemi di localizzazione e comunicazione assistiti dal satellite per servizi di emergenza (SALICE)

Università di riferimento

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

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonio Iera

Descrizione

Gli obiettivi della ricerca che sarà condotta presso l’Unità di Reggio Calabria consistono in: (i) fornire un contributo alla definizione di un’architettura eterogenea integrata per permettere l’integrità delle comunicazioni e la diffusione delle informazioni in caso di emergenze, attacchi terroristici o disastri naturali; (ii) definire e testare strategie di Gestione delle Risorse Radio (Radio Resources Management – RRM) in un contesto di tipo eterogeneo, tenendo conto che in situazioni di emergenza o tutta o parte dell’infrastruttura terrestre potrebbe essere inattiva o sovraccaricata e dunque una gestione saggia delle connessioni unicast/multicast è fondamentale.
Le attività di ricerca nelle differenti aree saranno condotte presso il Laboratory for Advanced Researches into Telecommunication Systems (ARTS) dell’ Università “Mediterranea” di Reggio Calabria da un gruppo di ricerca con un buon livello di esperienza negli argomenti di ricerca rilevanti ai fini del progetto proposto, quali gestione delle risorse radio in ambienti wireless integrati, integrazione di reti wireless eterogenee (spaziali-terrestri, WLAN-WMAN, reti cellulari 3G-WLAN, reti cellulari 3G-reti satellitari). Il know-how acquisito deriva dalla partecipazione a diversi progetti di ricerca sia industriali che accademici.
Nel seguito, saranno descritti in maggior dettaglio i contributi che l’Unità di Reggio Calabria intende fornire nell’ambito dei diversi WP.


Contributo al WP1
L’integrità delle comunicazioni e la diffusione delle informazioni rappresentano due elementi chiave nel caso di emergenze, attacchi terroristici o disastri naturali nell’ottica della valutare della situazione. In un tale contesto, il contributo dell’Unità alla ricerca è la definizione di una architettura integrata per servizi di comunicazione che comprenda sistemi spaziali (DVB-S/DVB-RCS e sistemi di navigazione satellitare), segmenti stratosferici (HAP) e reti radio-mobili terrestri.
Lo strato satellitare sarà composto da due differenti segmenti: il segmento per le comunicazioni e quello per la navigazione. Il primo prevede il dispiegamento di un sistema DVB-S/RCS che consiste di un satellite in orbita geostazionaria offrendo una copertura geografica e permettendo una diffusione a larga scala dei servizi forniti. Lo standard per le trasmissioni digitali DVB-RCS (Digital Video Broadcasting – Return Channel via Satellite) prevede l’implementazione di un canale di ritorno via satellite permettendo un collegamento bi-direzionale con il satellite. Inoltre, il segmento di navigazione fornirà agli utenti (per esempio le autorità civili e militari che gestiscono l’area del disastro) informazioni riguardanti la posizione all’interno dell’area di emergenza di persone e mezzi.
Il segmento stratosferico, composto da un set di piattaforme ad orbita stratosferica, consente invece l’accesso alle informazioni a costi più bassi e con un minor tempo di dispiegamento rispetto a quanto offerto dagli altri dispositivi spaziali. Le HAP operano ad un’altezza di circa 17-22 km e presentano un link budget migliore di quello dei satelliti. D’altro canto, sono caratterizzate da un’area di copertura più piccola, usualmente con un diametro di 400 km. Nell’ottica della ricerca che porteremo avanti, introdurre le HAP in un sistema integrato spaziale-terrestre migliora le performance del sistema in termini di numero di connessioni supportate contemporaneamente e di livello di qualità del servizio.
Infine, il segmento wireless radio-mobile terrestre, sarà formato da tutti i sistemi per le comunicazioni terrestri come UMTS, WLAN, ed in particolare reti self-organizing con le loro rispettive reti di accesso radio. Una rete SON ha la capacità di reagire automaticamente a cambiamenti dell'ambiente e dunque l'implementazione di sistemi SON in zone di emergenza sembra essere molto promettente. In particolare: (i) un sistema SON e’ in grado di attuare "comportamenti macroscopici" (tipicamente servizi end-to-end), attraverso semplici azioni intraprese a "livello microscopico" (da ciascun nodo); (ii) una rete SON evita, quanto più a lungo possibile, la segnalazione esplicita e, piuttosto, i nodi si coordinano tra loro attraverso una "segnalazione implicita"; (iii) una rete SON evita di mantenere in ciascun nodo una vasta serie di informazioni di stato riguardanti le prestazioni dell'intera rete; al contrario ciascun nodo mantiene una ridotta serie di informazioni riguardanti i nodi ad esso vicino.
Ciascuno di questi sottosistemi potrà essere considerato sia come una piattaforma “stand-alone” capace di funzionare indipendentemente dalle altre, sia come un nodo dell’architettura complessiva. Adottare questo tipo di approccio è necessario per permettere l’utilizzazione dell’architettura integrata anche in contesti particolari quali aree disastrate, situazioni di emergenza quando uno o più segmenti dell’architettura potrebbero non essere funzionanti. Il trasferimento di dati, immagini, mappe contestuali può essere veicolato ad alta velocità insieme con il traffico voce e videoconferenza anche in questi scenari.
L’unità di Reggio Calabria contribuirà alla definizione dell’architettura integrata supportando il processo di identificazione dei diversi sistemi componenti e delle loro funzioni, ed evidenziandone le interazioni.


Contributo al WP4
Esigenza primaria nelle aree coinvolte in situazioni di emergenza (atti terroristici, catastrofi naturali) e’ la disponibilità di infrastrutture di comunicazione e relative procedure tali da rispondere in modo efficiente ed efficace sia durante che dopo l'emergenza. In tali condizioni e’ necessaria la presenza di un sistema per telecomunicazioni che possa essere rapidamente dispiegato, consentendo agli utenti (ad esempio le vittime, le forze di soccorso civili e militari) di restare connessi. Inoltre, riveste una importanza fondamentale garantire le sufficienti coperture radio ai fini di una efficiente organizzazione delle operazioni di soccorso. Considerando gli utenti coinvolti nelle operazioni post-disastro (ad esempio i veicoli di emergenza - EV, i primi soccorritori - FR, ecc.), è importante prevedere una nuova infrastruttura di rete (Emergency Network), che possa sostituire quella danneggiata, garantendo la continuità delle comunicazioni standard (ad esempio il traffico voce con il Coordination Centre), e per consentire lo scambio di informazioni relative al contesto particolare (Rescue Communications), come ad esempio i dati sul posizionamento di RF ed EV, informazioni di alerting, mappe elettroniche a supporto delle forze di soccorso durante il loro movimento all'interno della zona disastrata. In particolare, considerando i diversi tipi di comunicazione menzionati sopra, la Emergency Network deve supportare due tipi di connessioni: Connessioni Long Range (riguardano le comunicazioni da / verso la zona disastrata con l'esterno), Connessioni Short Range (riguardano le comunicazioni all'interno della zona di emergenza tra le diverse forze di soccorso, ad esempio gli FR).
Al fine di garantire entrambe le modalità di connessione, la Emergency Network deve essere pensata come il risultato di integrazione tra (i) i sistemi esistenti e attivi non compromessi dal disastro (come ad esempio i sistemi satellitari, piattaforme HAP e reti cellulari ancora attive) con la finalità di supportare le comunicazioni a lunga distanza, Long-Range Network, e (ii) le reti terrestri dispiegate rapidamente nello scenario di emergenza e che permettano agli utenti di comunicare sia all'interno della stessa area (Short-Range Network) sia di accedere ai sottosistemi per i collegamenti con le zone esterne al disastro per mezzo di un Emergency Gateway. Infatti, la Emergency Network sarà anche costituita da diversi Master Mobile Node - MMN, con funzionalità di gateway, e dotati di interfacce differenti: UMTS, reti satellitari, piattaforme HAP. Le problematiche riguardanti la Short-Range Network e l’ Emergency Gateway verranno affrontati dall’Unità di Reggio Calabria nell’ambito del WP 5, come illustrato nel seguito di questo documento. Mentre nell’ambito del WP4 il focus sara’ sulle Long Range Networks.
L'unità di Reggio Calabria si interesserà della definizione e del testing di nuove strategie di Radio Resources Management (RRM) eventualmente adottando soluzioni Middleware per garantire l'interoperabilità tra le reti eterogenee. L'integrazione delle infrastrutture terrestri per le telecomunicazioni con il segmento spaziale svolge un ruolo chiave al fine di offrire un mezzo per FR ed EV per essere collegati con aree esterne rispetto alla scenario di emergenza. Dunque nell’ambito del WP4 si indagherà su due tematiche principali riguardanti la Long-Range Network: la prima consiste nell'utilizzo di un sistema interattivo satellitare geostazionario per fornire una copertura globale alla zona di emergenza e una connettività verso reti esterne al MMN; la seconda riguarda l'attuazione di politiche multicast per il trasporto dei dati.

• Sistema Satellitare Interattivo
Una delle caratteristiche più importanti che caratterizzano lo scenario di emergenza è indubbiamente la capacità di gestire la mobilità degli utenti. Quindi, ulteriori indagini riguarderanno l'utilizzo del collegamento bidirezionale geostazionario per fornire servizi alle unità mobili (sia MMN che EV). L'unità di Reggio Calabria affronterà problematiche relative alla implementazione di un sistema DVB-RCS affidabile in ambienti mobili che rendono sia il canale di forward che quello di return più sensibili agli errori. Ciò implica che le tabelle di segnalazione viaggianti sul forward link possano essere perse con alta probabilità, evento che si traduce in errori critici nelle operazioni di Medium Access Control (MAC) con un conseguente potenziale degrado delle prestazioni relative alla trasmissione dati. Seguendo le linee guida presenti nello standard DVB-RCS, saranno proposte delle opportune modifiche alle politiche di MAC. In particolare, siamo interessati nella progettazione e testing di un sistema di segnalazione per il supporto alle politiche MAC che riducano il numero di segnalazioni richieste aumentando l'affidabilità del sistema anche con un canale in cattive condizioni e di definire una politica adeguata al fine di evitare sprechi di risorse.

• Multicast Data Delivery
Ulteriori indagini riguarderanno, come già discusso, l'utilizzo di trasmissioni multicast negli scenari di riferimento. Il termine "multicast" implica la fornitura contemporanea di informazioni a un "gruppo di utenti", evitando, per quanto possibile, la duplicazione dei dati. Questo tipo di approccio è molto promettente soprattutto se adottato in zone disastrate, quando informazioni di tipo diverso devono essere consegnate a diverse tipologie dei primi soccorritori (ad esempio gruppi di utenti appartenenti alle forze di soccorso medico, polizia, vigili del fuoco).
Le informazioni multicast (ad esempio messaggi di avviso per la popolazione) raggiungeranno gli utenti o per mezzo di Base Stations UMTS ancora attive dopo il disastro, o attraverso Base Stations UMTS trasportabili installate sui MMN.
Nello scenario di emergenza considerato, si prevede l'introduzione di un segmento satellitare e di un segmento HAP all’interno della rete UMTS i quali migliorano la capacità di tutto il sistema nel supportare il multicast di dati, senza condizionare le performance dei flussi di traffico unicast.


Contributo al WP 5
La Short-Range Network, che può essere costituita principalmente da tecnologie off-the-shelf come la 802.11 ed il Bluetooth, consente ai membri delle squadre di soccorso di condividere i dati fra loro e di trasmetterli verso reti esterne per mezzo dell'Emergency Gateway che può inoltrare i dati provenienti dagli FR verso la rete geografica, come quella cellulare o le connessioni via satellite.
In riferimento alla Short-Range Network, in questo progetto ci focalizzeremo principalmente sulla interconnessione tra il segmento locale e la Long-Range Network tenendo anche conto soluzioni per il supporto a differenti tipologie di traffico basate sulla priorità delle informazioni che devono essere consegnate.

• Interworking tra short-Range e Long-Range Networks
Anche se può apparire semplice fare in modo che due segmenti di rete basati su IP interoperino, lo stesso non puo’ dirsi nel caso in cui si intende coordinare l'assegnazione delle risorse nelle reti Short-Range e Long-Range al fine di assicurare un livello accettabile di qualità del servizio end-to-end per gli utenti. Chiamiamo "Gateway" l'entità che assicura l'interworking tra la rete locale e quella a lunga distanza. Il primo passo della nostra ricerca sarà l'elaborazione di un gateway, che è in grado di interconnettere interfacce locali, quali 802.11 a quelle Long-Range che possono essere basate su tecnolgie UMTS o DVB-S, gestendo contemporaneamente le risorse per entrambe le connessioni tenendo conto dei cambiamenti nelle condizioni di rete.
In una seconda fase ci occuperamo di procedure per "scoprire" e "selezionare" i gateway più adatti per inoltrare il traffico proveniente dalla rete locale. Infatti, in una rete self-organizing, gli host non sono sicuri della presenza dei gateway e dovrebbero implementare una procedura adeguata per la loro scoperta. Se più di un gateway è disponibile si pone il problema di scegliere il più appropriato per inoltrare il traffico dati. Con la terminologia "più adeguato" si intende il gateway che ha sufficienti risorse (in termini di larghezza di banda, potenza, ecc) per gestire il traffico utente e che si trovi in una posizione facilmente raggiungibile dal traffico utente stesso. E 'evidente che la scelta del gateway non dipende solo dalle caratteristiche del gateway stesso, ma anche dalle esigenze del traffico che deve essere trasmesso e dalla qualità del link che lo collega all'utente. Pertanto la modalità di scoperta e di selezione dei Gateway disponibili rappresenta un fattore chiave per un utilizzo ottimizzato delle risorse disponibili.