SDR Telecom

NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008 3

Software 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 serviziradiomobili, una panoramica dei concetti dei sistemi SDR (SoftwareDefined Radio) e di CR (Cognitive Radio), delle relative attività di ricercain Europa e delle recenti attività di standardizzazione in ITU (InternationalTelecommunication Union) e ETSI (European TelecommunicationsStandards Institute).Gli autori illustrano poi lo scenario di possibili soluzioni, a medio e lungo ter-mine, legate agli SDR e CR che coinvolgono i nodi di rete e l’allocazionedello spettro.

1. Introduzione

Dai primi anni ’80 si è assistito alla crescitaesponenziale dei sistemi wireless e dei serviziradiomobil i che ha portato alla definizione dinumerosi standard. In tale ambito, negli ultimi annisono emersi i concetti di SDR (Software DefinedRadio) e di CR (Cognitive Radio), prima nei conte-sti di ricerca e recentemente anche in quelli distandardizzazione, come una potenziale soluzionepragmatica: un’implementazione software degliapparati in grado di adattarsi dinamicamenteall’ambiente in cui vengono di volta in volta a tro-varsi. Infatti, il termine “Software Defined Radio”significa “funzionalità radio definite via software”,intendendo con ciò la possibilità di definire viasoftware quelle funzionalità tipiche di un’interfac-cia radio, che normalmente sono implementate neitrasmettitori e ricevitori mediante un hardwareappositamente dedicato.

La presenza del software di definizione dell’in-terfaccia radio, implica necessariamente l’impiegodi processori, ad esempio DSP (Digital SignalProcessor), in sostituzione dell’hardware dedicato,per l’esecuzione in tempo reale del software rela-tivo all’interfaccia radio considerata.

Con il termine “Cognitive Radio” s’intende lafunzionalità ulteriore di capacità di adattamento e“intelligenza” degli apparati, aggiunta al concetto di“Software Defined Radio”: in questo modo, unapparato “Cognitive Radio” in futuro potrebbeessere in grado di adattarsi alle variazioni dellecondizioni radio o di traffico tra diversi sistemi,anche in scenari che prevedano metodologie digestione dello spettro più flessibili.

Nel seguito si intende offrire una panoramica deiconcetti di SDR e di CR, delle relative attività diricerca in Europa e delle recenti attività di standar-dizzazione in ITU ed ETSI nonchè delle possibilisoluzioni a medio e lungo termine.

MOBILE

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4 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 3 - Dicembre 2008

2. Software Defined Radio

Una def in iz ione r igorosa del concetto diSoftware Defined Radio non esiste, sebbene da piùfronti sia stata manifestata l’esigenza di chiarirecon precisione che cosa si intenda per SDR.

Alcune definizioni che sovente si trovano in let-teratura sono [1]:• Architettura del TX/RX flessibile, controllata e

programmabile via software;• Signal processing in grado di sostituire il più

possibile le funzionalità radio;• Schema di trasmissione/ricezione flessibile ed

adattativo;• “Air Interface Downloadability”: equipaggia-

mento radio riconfigurabile dinamicamente, via“downloadable software”, ad ogni livello dellapila dei protocolli;

• Transceiver in cui s i possono def inire viasoftware:- la banda di frequenza e la larghezza di

banda del canale radio;- lo schema di modulazione e di codifica di

canale;- i protocolli di gestione delle risorse radio e

della mobilità;- le applicazioni d’utente.

Tali parametri possono essere adattati ecambiati da:

- operatore di rete;- service provider;- utente finale.Quindi, r iassumendo, si potrebbe usare la

seguente definizione [1]:“Il Software Defined Radio è una tecnologia

emergente, pensata per la costruzione di sistemiradio flessibili, “multi-standard”, “multi-band”,riconfigurabili e riprogrammabili via software”.

La flessibilità di un sistema SDR consiste nellacapacità di operare in ambienti “multi service”, senzaperò essere vincolato ad un particolare standard, maoffrendo servizi secondo uno qualunque dei sistemigià standardizzati o di futura standardizzazione, suuna qualunque banda di frequenze. La compatibilitàdi un sistema SDR, con uno qualunque dei sistemiradio definiti, è possibile grazie alla sua riconfigurabi-lità, cioè dalla riprogrammabilità dei suoi processori,che, in tempo reale, implementano l’interfaccia radioe i protocolli di livello superiore.

La strada intrapresa, per arrivare alla costru-zione di un sistema SDR, prevede, innanzitutto, ilconseguimento di due obiettivi principali [1, 2, 3]:1) spostare, nei trasmettitori e ricevitori, il confine

tra il mondo analogico e digitale sempre piùverso la radio frequenza (RF), tramite l’adozionedi convertitori A/D e D/A a larga banda il piùvicino possibile all’antenna;

2) sostituire la tecnologia ASIC (Application-Specific Integrated Circuit - hardware dedicato)con la tecnologia DSP, per l’elaborazione delsegnale in banda base, al fine di definire, il piùpossibile, via software, le funzionalità radio.Il primo obiettivo, in realtà, non è esclusivo del

SDR; si pensi, ad esempio, agli sforzi che da anni

si stanno compiendo nella realizzazione dei cosid-detti “Wideband Transceiver”, il cui obiettivo prima-rio è stato quello di espandere il mondo digitalef ino al lo stadio di frequenza intermedia ( IF) ,lasciando analogica solo la parte RF. L’obiettivofinale è poi quello di puntare alla costruzione ditransceiver interamente digitali.

SDR cerca di fare propri i risultati ottenuti nelcampo della costruzione dei Wideband Transceiver,per andare oltre, introducendo la possibilità diriprogrammare l’intero sistema.

La sostituzione della tecnologia ASIC con latecnologia DSP consente le seguenti opzioni:a) implementazione via software delle funzionalità

di banda base quali, ad esempio, codifica,modulazione, equalizzazione, pulse shaping, …;

b) riprogrammabilità del sistema per garantire unamodalità di lavoro multistandard.È importante notare che con Digital Signal

Processing s’intende proprio il concetto di elabora-zione digitale del segnale; quindi non solo DSP chi-psets in senso stretto, ma anche FPGA (FieldProgrammable Gate Array) e processori general pur-pose quali, ad esempio, quelli della famiglia Intel [2].

Attualmente l’ASIC è la tecnologia prevalentenella costruzione di trasmettitori e ricevitori, e lesoluzioni circuitali adottate dalle varie manifatturiererisultano essere fortemente proprietarie. L’uso deiDSP rappresenta tuttavia una realtà già affermata;infatti, molte stazione radio base UMTS fanno un usomassiccio di DSP e di FPGA per il processing dibanda base. In questi casi, non si può ancora parlaredi sistemi SDR, in quanto non tutte le funzionalità dibanda base (ad esempio il Rake Receiver) sonoimplementate su DSP e, inoltre, il software è limitatoe pre-caricato per cui l’intero sistema rimane vinco-lato ad un tipo specifico di interfaccia radio, senzaalcuna possibilità di riconfigurazione.

Lo schema “ideale” di un transceiver SDR pre-senta uno stadio analogico ridotto ai minimi ter-mini: gli unici componenti analogici sono l’antenna,il filtro passa banda e l’amplificatore a bassa cifradi rumore. La conversione analogico digitale vieneeffettuata subito a radio frequenza, in modo dapoter effettuare l’elaborazione del segnale in modocompletamente digitale, su una board completa-mente riprogrammabile.

Lo schema di ricevitore SDR illustrato nellafigura 1 è definito “ideale” per una serie di motivi

BPF ADCBase BandProcessing

DSPLNA

ADCBPFDSPLNA

====

Analogic to Digital ConverterBand Pass FilterDigital Signal ProcessorLow Noise Amplifier

FIGURA 1› Schema di ricevitore Software Defined Radio ideale.

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che lo rendono di difficile realizzazione pratica.Innanzitutto, non è pensabile l’impiego di un solostadio RF per un sistema “multi-band”, a causadell’impossibilità di costruire antenne e amplifica-tori a bassa cifra di rumore, su una banda dilavoro che s i estende in teor ia da qualchedecina/centinaio di MHz fino alla gamma dei GHz;attualmente l’unico modo per garantire l’operabi-lità in “multi-band” è quello di costruire più stadiRF a seconda delle bandedi impiego del sistema SDR,o limitare la stadio unico RFad una gamma di frequenzeben l imitata e precisa.Inoltre, problemi di j i t terrendono imprat icabi le laconversione A/D, applicatadirettamente a RF.

La soluzione che risultaal momento più praticabile ènota con il nome di “DigitalRadio Transceiver”, i l cuischema di ricezione è illu-strato in f igura 2. La suastruttura ricalca quella nor-malmente adottata per i“Wideband transceiver” conla parte RF completamenteanalogica ed il mondo digi-tale che si estende fino allostadio IF.

Il convertitore analogico digitale (ADC) cam-piona l ’ intero spettro al locato al s istema; i l“Programmable Down Converter” provvede adeffettuare le seguenti operazioni:• down conversion: conversione numerica da fre-

quenza intermedia ( IF) a banda base (BB)mediante l’impiego di una look-up table checontiene i campioni di una portante sinusoidale.La look-up table sostituisce l’oscillatore localeutilizzato per i down converter analogici;

• canalizzazione: selezione della portante da ela-borare, mediante una operazione di filtraggionumerico. Questa operazione nei ricevitori ana-logici viene effettuata mediante un filtro analo-gico, con specifiche alquanto rigorose, primadella conversione in BB;

• sample rate adaptation: sotto-campionamentodel segnale in uscita dal filtro di canalizzazioneper adeguare il rate dei campioni alla larghezzadi banda del segnale selezionato che risultaessere un segnale a banda stretta se parago-nato al segnale a tutto spettro in ingresso alconvertitore ADC.Il segnale numerico in uscita dallo stadio IF

viene poi sottoposto al processing di banda base.La costruzione di un “Digital Radio Transceiver”

presenta, tuttavia, non poche difficoltà in entrambigli stadi IF e BB. Per lo stadio IF sussistono pro-blemi essenzialmente di natura tecnologica legatialle prestazioni dei convertitori A/D e D/A cheimpongono una scelta di compromesso tra velocitàdi campionamento e risoluzione: maggiore è lavelocità di campionamento e minore è il numero di

bit con cui si possono rappresentare i campioni.Anche in banda base sussistono problemi di carat-tere tecnologico legati alla potenza di calcolo e alconsumo di potenza dei DSP. È necessario reperireuna potenza di calcolo sufficiente da consentirel’esecuzione in real-time del software che definiscel’interfaccia radio. Questo può richiedere l’impiegodi più processori in parallelo a seconda della com-plessità delle interfacce radio da implementare [4].

L’impiego di DSP nel processing di banda basedeve in ogni caso sottostare a dei vincoli ben pre-cisi, che risultano particolarmente stringenti se con-siderati dal punto di vista di un terminale mobile:• limitata complessità circuitale;• basso costo;• basso consumo di potenza;• ridotte dimensioni del transceiver.

Inoltre, nello stadio BB vanno risolti problemi ditipo progettuale, relativi alla scelta ottimale dellaarchitettura hardware e software da adottare.

La figura 3 riassume le esigenze tecnologicheper una completa realizzazione di un apparatoSDR.

BPF BPF

LO

Ampl. ADC

ProgrammableDown

ConverterPDC

BaseBandDSP

LNA

RF stage IF stage BB stage

ADCBPFDSPLNALO

PDC

======

Analogic to Digital ConverterBand Pass FilterDigital Signal ProcessorLow Noise AmplifierLocal OscillatorProgrammable Down Converter

FIGURA 2› Schema di un ricevitore Digital Radio.

Flessibilità

Peculiarità del SDR

Esigenze tecnologiche

Multimode/Multiband/Multistandard

Stadio RF a larga banda

Stadio di conversione A/D-D/Aa larga banda, ad alta velocitàe risoluzione

Dispositivi di signal processingcon elevata capacità elaborativa(DSPs, FPGAs, microprocessori)

Software

AdattativitàSignalProcessingadattativo

DSPFPGASDR

===

Digital Signal ProcessorField Programmable Gate ArraySoftware Defined Radio

FIGURA 3› Esigenze tecnologiche per la realizzazione di un terminale

Software Defined Radio.

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I vincoli suddetti fanno sì che le prime soluzioniSDR saranno principalmente presenti nelle stazioniradio base, in cui i vincoli di consumo e spaziodisponibili sono minori rispetto ad un terminalemobile. Infatti una soluzione commerciale di BTSSDR, già disponibile sul mercato e basata subanda base completamente implementata su pro-cessori della famiglia Intel e software proprietario,è offerta da Vanu [5]. Al momento gli standardimplementati sono il GSM/GPRS e il CDMA 1xRTTmentre è in via di sviluppo il WCDMA. La sezioneRF della soluzione Vanu è del tutto “off the shelf” eprevede in principio un blocco distinto per cia-scuna banda licenziata utilizzata dall'operatore conuna banda massima di campionamento pari a 25MHz. Una soluzione come quella di Vanu è in lineacon l 'approccio “Digita l Radio Transceiver”descritto sopra per cui le funzionalità di banda-base sono interamente realizzate in software, men-tre la parte RF prevede un processo di canalizza-zione e di down-conversion. Tale soluzione pre-vede la possibilità di operare con più standard inparallelo nella stessa BTS (es. GSM e CDMA), con-dividendo le risorse elaborative, ma non risulta adoggi disponibile un sistema di riconfigurazionedinamica.

Altre soluzioni simili sono disponibili, come adesempio quella del trial di Vodafone con stazioniradio base SDR multi-modo che supportano simul-taneamente GSM e WCDMA [6], o, lato terminale,le soluzioni SDR di ICERA per modemHSDPA/HSUPA [7].

3. Cognitive Radio e Cognitive Networks

Il termine Cognitive Radio (CR) è stato utiliz-zato per la prima volta da Joseph Mitola III nel1999 [8] per indicare il concetto di un sistemawireless che ha consapevolezza dell'ambiente incui si trova e della propria struttura interna. Un CRpuò sfruttare l'esperienza pregressa e la propriacapacità di comprensione per migliorare meccani-smi di adattamento già noti (quali ad esempiol ink-adaptat ion sul la base del la st ima dicanale), oppure per informarsi sull'uso dellospettro nella zona in cui si trova e quindi sele-zionare le Base Station (BS), gli Access Point(AP) o in generale i nodi dell'infrastruttura direte più opportuni. Un dispositivo CR può per-sino apprendere dalle informazioni che sonoscambiate dall'utente al fine, per esempio, diadattare il consumo di potenza e la tecnica diricerca della rete alle abitudini dell'utilizzatore.In generale, un disposi t ivo CR agisceseguendo due obiettivi primari [9]:1) alta affidabilità della comunicazione senza

vincoli di spazio e di tempo;2) utilizzo efficiente dello spettro radio.

Mitola definisce il CR come “il punto in cui iwireless Personal Digital Assistants (PDAs) e lerelative reti sono sufficientemente intelligenti inmerito alla gestione delle risorse radio ed allerelative procedure di comunicazione machine-

to-machine al fine di: (a) identificare i bisognicomunicativi dell'utente in funzione del contesto diutilizzo e (b) fornire le risorse radio ed i servizi wire-less più adatti a tali bisogni.” Su questa base, unCR può selezionare automaticamente il serviziomigliore per una data trasmissione radio e può per-sino gestire temporalmente le diverse trasmissionisecondo le risorse disponibili.

La definizione data da Mitola è molto ampia,pertanto solitamente un dispositivo che rispetti taledefinizione viene indicato come “Full CognitiveRadio”. Recentemente il termine CR è stato utiliz-zato con definizioni più circoscritte. A tale propo-sito, la FCC (Federal Communication Commission)afferma che qualsiasi dispositivo radio in grado diadattarsi allo spettro disponibile dovrebbe essereindicato come “Cognitive Radio” [10]. Più precisa-mente, la definizione data da FCC è la seguente:“Un Cognitive Radio è un dispositivo radio che puòadattare i parametri di trasmissione sulla base del-l'interazione con l'ambiente in cui opera. La mag-gior parte dei dispositivi CR sarà probabilmentebasata sulla tecnologia SDR, ma i requisiti di un CRnon prevedono di essere basati su software o diessere riprogrammabili”.

Un CR è un'entità che percepisce il relativoambiente, ne raccoglie i dati, ottiene informazionidai dati raccolti, identifica le strategie da adottaredalle informazioni raccolte e trasforma queste stra-tegie in azioni. Pertanto, in principio ogni CR èbasato su una piattaforma SDR, pur non essendoquesto un requisito strettamente necessario.Infatti, un dispositivo CR differisce dagli altri dispo-sitivi radio per la possibilità di apprendimento, nonper il fatto di essere basato su SDR. Tuttavia, ilbeneficio di una piattaforma SDR è sicuramentenotevole, in quanto permette di realizzare le funzio-nalità di apprendimento e ragionamento del dispo-sitivo via software tramite algoritmi di alto livello,ad esempio adattativi o di machine-learning.

Una rappresentazione di tali funzionalità diapprendimento e di azione di un dispositivo CR èdata dal “Cognition Cycle” [8] indicato nella figura 4.

ORIENT

OBSERVE LEARN PLAN

DECIDEACT

OutsideWorld

Infer on Context Hierarchy:

Pre-Process Parse

Register toCurrent Time

Allocate ResourcesInitiate Process(es)

Save Global States

Send a Message

Set Display

NewStates

PriorStates

IMMEDIATE URGENT NORMAL

ESTABLISHED PRIORITY

FIGURA 4› Cognition Cycle proposto da Mitola [8].

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Il “Cognition Cycle” rappresenta l'insieme deglistati, delle azioni e delle interazioni che il disposi-tivo CR compie al fine di comprendere e conoscereil mondo esterno e di adattarsi agli stimoli ed alleindicazioni ricevute.

Il primo stato del ciclo è “Observe” nel quale ildispositivo CR osserva il relativo mondo esterno.Chiaramente, i sensori ed i dati da questi ottenuti,rappresenteranno il mondo esterno attraversoopportuni parametri osservabili, in modo da essereprocessati facilmente dal dispositivo.

I dati estratti nello stato di ascolto vengono pro-cessat i prel iminarmente nel lo stato “Orient”durante il quale viene presa una decisione sull'ur-genza dell'azione da intraprendere. A tale propo-sito sono previste tre categorie di urgenza (“imme-diate”, “urgent” e “normal”), che riflettono il temporimasto prima dell'esecuzione dell'azione stessa. Illivello “immediate” indica che non c'è tempo perscegliere una strategia e va intrapresa immediata-mente un'azione già predeterminata in passatopassando nello stato “Act”. Il livello “urgent” indicache c'è tempo per selezionare la strategia all'in-terno dell'insieme delle strategie note, ma evitandodi cercare nuove strategie; si passa pertanto nellostato “Decide” di decisione della strategia e quindinello stato “Act” di azione. Infine, il livello “normal”prevede che il dispositivo cerchi anche nuove stra-tegie oltre quelle già note passando nello stato“Plan”. A seguire, il dispositivo passa nello stato“Decide” di decisione della strategia e quindi nellostato “Act” di azione.

Gl i output degl i stat i “Observe” , “Plan” e“Decide” , insieme ai dati r icavati dal mondoesterno, sono processati nel lo stato “Learn”durante il quale il dispositivo CR apprende dalleazioni intraprese. Va notato, però, che né lo stato“Orient” né lo stato “Act” forniscono input allostato di apprendimento, quindi non c'è conoscenzadella reazione agli stimoli che avviene in tali stati.In alternativa, è anche possibile che le reazioni aglistimoli vengano incluse tra i dati osservati nellostato “Observe”, andando a essere compresi neiblocchi “Prior State” e “New State” che indicano lostato osservato prima e dopo l'azione. In questocaso, pertanto, gli stati “Plan” e “Decide” nonhanno più necessità di inviare informazioni allostato “Learn”.

Un aspetto importante che va tenuto in conto è lafattibilità dei dispositivi CR. In particolare, ciascunafase del ciclo descritto ha requisiti non banali:• la fase “Observe” è sicuramente cruciale per un

dispositivo CR, in quanto permette di avereconoscenza del mondo esterno, tenendo contoche un errore di rilevamento in questa fase puòportare il dispositivo ad agire in modo sbagliatoe persino dannoso; gli aspetti di maggior inte-resse per la ricerca riguardano la metodologiadi conoscenza dello spettro (es. scansione eCognitive Pilot Channel), l'affidabilità, la rapiditàed il consumo di energia di tale metodologia e,infine, la gestione della mobilità;

• la fase “Orient” prevede di identificare le prioritàtra i diversi stimoli dal mondo esterno e l'acco-

damento adattativo del processamento deidiversi stimoli;

• la fase “Plan” permette al dispositivo di deter-minare le diverse strategie da utilizzare, per-tanto è richiesto che ci sia una completa cono-scenza dello stato interno e delle conseguenzedi ciascuna strategia;

• nella fase “Decide” è importante che il disposi-tivo selezioni l'azione da intraprendere tenendoconto anche delle preferenze e abitudini dell'uti-lizzatore nonchè dell'esperienza passata;

• nella fase “Act” il dispositivo deve essere ingrado di riconfigurare il proprio stato interno inmodo conforme alla decisione presa e, nel casodi piattaforma SDR, deve anche essere in gradodi scaricare il software necessario all'azione perriprogrammare le funzionalità coinvolte;

• nella fase “Learn” il dispositivo deve essere ingrado di memorizzare, identificare e classificarele diverse situazioni (in modo da poterle ricono-scere in futuro e agire di conseguenza) tenendoconto del comportamento dell'utilizzatore e deirisultati ottenuti. Inoltre, il dispositivo deveessere in grado di adattare le diverse fasi delciclo in base all'apprendimento effettuato.Inizialmente il concetto di “Cognitive Radio”

prevedeva l'applicazione al solo dispositivo d'u-tente, quindi al terminale mobile. Ultimamente,però, negli ambienti di ricerca e di standardizza-zione si sta assistendo ad una generalizzazione delconcetto di CR, in modo da applicarlo a qualsiasidispositivo della rete. In particolare, si parla sem-pre più di Cognitive Radio Systems, vale a dire disistemi radio nella loro interezza (terminale e rete)basati su capacità cognitive.

A tale proposito, in ambito ITU-R, nel gruppoWP 5A è in corso la preparazione di un documentoche descriva nella loro interezza i CRS, partendodalla definizione e toccando i diversi aspetti tecno-logici e applicativi.

Da evidenziare è anche l’apertura in ambitoEuropeo di un comitato il cui mandato è quello dicompiere uno studio di fattibilità su alcune temati-che relative al SDR, CR e CRS, con lo scopo divalutarne la possibilità di standardizzazione inETSI. In part icolare, i l TC RRS (TechnicalCommittee Reconfigurable Radio System) affrontatematiche riguardanti gli aspetti di sistema (archi-tettura e requisiti) dell’architettura dei dispositiviradio riconfigurabili (quindi sia lato terminale chelato rete), delle funzionalità di rete peculiari deisistemi riconfigurabili, del Cognitive Pilot Channel(maggiori dettagli sono riportati nel seguito dell’ar-ticolo) e di sicurezza pubblica.

Un'applicazione molto importante dei CRS èquella delle Cognitive Networks (CN) dove il con-cetto di “Cognitive Radio” viene applicato al domi-nio della rete. Pertanto, una CN è una rete in gradodi adattare il proprio comportamento in base allaconoscenza dell'ambiente in cui si trova.

In principio, una CN è una rete caratterizzatadalle seguenti due entità e funzionalità:• Cognitive Network Management;• Base Stations riconfigurabili.

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La funzionalità di Cognitive Network Managementabbraccia le diverse Radio Access Technologies(RAT), andando a gestire e controllare i nodi della reteal fine di adattarli alla configurazione ottimale di uti-lizzo delle risorse radio. Tale funzionalità può agiresulla base di alcune informazioni in input, come peresempio le risorse disponibili, le richieste di traffico, lecaratteristiche dei terminali in ciascuna cella (RAT sup-portati, bande di frequenza, ...) ed i servizi richiesti daciascun utente (banda, QoS, ...). In aggiunta, tale fun-zionalità può avvalersi di uno schema di gestione dellerisorse radio di tipo collaborativo dove le funzioni didecisione sono condivise tra i diversi nodi di rete.

Le Base Stations riconfigurabili sono i nodi checostituiscono fisicamente la CN. La caratteristica prin-cipale di tali nodi è quella di avere risorse hardware edelaborative che possono essere riconfigurate dinami-camente, in modo da essere utilizzate con diversiRATs, diverse frequenze, diversi canali, … potendoanche operare in modalità multi-RAT sulla base, adesempio, di una gestione dinamica del carico. Dalpunto di vista costruttivo, pertanto, le stazioni radiobase riconfigurabili possono essere realizzatemediante piattaforme SDR costituendone un’impor-tante ed utile evoluzione.

Un aspetto interessante delle CN, è la possibi-lità di introdurre i cosiddetti “Cognition RadioEnablers”, vale a dire i dispositivi di supporto allafase di “Observe” dei terminali, per la conoscenzadello stato dello spettro, come ad esempio ilCognitive Pilot Channel.

In conclusione, la disponibilità di stazioni radiobase riconfigurabili, insieme alle funzionalità diCognitive Network Management può dare agliOperatori strumenti aggiuntivi di gestione dellerisorse radio e delle risorse elaborative, in mododa raggiungere una maggiore efficienza nel loroutilizzo.

4. Soluzioni a medio e lungo termine

Di seguito sono descritte le possibili soluzioni amedio e lungo termine legate ai sistemi SDR e CRche coinvolgono i nodi di rete e l'allocazione dellospettro. In particolare, vengono affrontate le tema-tiche legate alla disponibilità di stazioni radio basericonfigurabili e agli schemi di gestione dello spet-tro di tipo dinamico.

Il progettoeuropeo“E3”

Il progetto E3 (End-to-End Efficiency)è un Integrated Project (IP) europeonell'ambito del Settimo ProgrammaQuadro (FP7) di r icerca del laComunità Europea, è attivo da gen-naio 2008 ed ha durata biennale.Fanno parte del progetto ventunopartner, tra cui cinque manifatturiere(Motorola, Alcatel-Lucent, Ericsson,Nokia e Thales Communications),quattro Operatori (Telecom Italia,Telefonica, Deutsche Telekom eFrance Telecom), quattro regolatori(inglese, francese, tedesco, olan-dese) e otto Università e centri dieccel lenza. I l progetto ha comeobbiettivo primario quello di studiarei Cognitive Radio Systems al fine direnderli parte integrante dei sistemi“Beyond 3G” e seguenti , con loscopo di evolvere l'attuale contestodi ret i eterogenee verso un fra-mework cognitivo integrato, scalabileed efficiente. Il progetto E3 è la conti-nuazione dei progetti europei E2R

(End-To-End Reconfigurability) phaseI, iniziato nel 2004, e phase II, iniziatonel 2006, del Sesto ProgrammaQuadro (FP6) di r icerca del laComunità Europea. Telecom Italia èstata membro di entrambi i progetti.Il contesto di riferimento del progettoè riportato in figura A, dove sono rap-presentati le diverse entità e funzio-nalità oggetto di studio: gli accessiradio dei diversi sistemi, i nodi digestione delle “Cognitive Networks”, icognition radio enablers come il CPCed i terminali riconfigurabili.

Il progetto E3 partecipa attivamenteanche alle attività di standardizza-zione degli aspetti legati ai CognitiveRadio Systems in ITU-R e ETSI, attra-verso alcuni dei suoi membri.Telecom Italia è membro del progettoe ricopre il ruolo di leader del gruppodi lavoro dedicato alle tecnologie disupporto per la gestione di reti etero-genee, tra cui è rilevante il CognitivePilot Channel (CPC).

BackBone NetworkNetwork Management

Cognitive Network operations areorchestrated by an Access broker

Cognitive Network operations areorchestrated by an Access broker

BackBone NetworkNetwork Management

Cellular SystemsWide Range

Metropolitan AreaSystems

Short RangeSystems

WiMax WiMaxNG

Post3GPP/4GPP

3GPP(LTE)

Latestgeneration

WiFi(IEEE 802.11a

or similar)

WiFi NG(IEEE 802.11n,

...)

NetworkReconfigurationManagement

NetworkReconfigurationManagement

Legacyhandset Cognitive

RadioCellularPhone

CognitiveRadio

CellularPhone

TerminalReconfigurationManagement

TerminalReconfigurationManagement

CognitivePilot

Channel

CognitivePilot

Channel

Cognitive RadioMulti Standard

Base Station(MSBS)

Cognitive RadioMulti Standard

Base Station(MSBS)

FIGURA A› Contesto di riferimento del progetto E3 (fonte: www.ict-e3.eu).

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4.1 BTS riconfigurabili

Nelle reti attuali, gli elementi che costituisconola rete di accesso radio sono propri del sistemacellulare di appartenenza (per esempio BTS e BSCnel caso GSM/(E)GPRS, NodeB e RNC nel casoUMTS) e non sono interscambiabili tra i diversisistemi. Dal punto di vista hardware, ogni stazioneradio base è in grado di gestire un numero mas-simo di risorse radio relative al sistema per cui èstata progettata, in modo dipendente dalla com-plessità e dalla quantità di hardware con cui è stataassemblata. In generale, ogni base station puòessere vista come un apparato in cui è possibilevariare la capacità ricetrasmissiva, aumentando odiminuendo il numero di risorse hardware (es. tran-sceivers) unicamente in maniera statica e a poste-riori, a valle di successive ri-pianificazioni cellulari.Inoltre, nonostante le stazioni radio base diseconda e di terza generazione siano sovente traloro collocate, le reti di accesso radio sono in lineadi principio tra loro disgiunte. In generale, quindi,allo stato attuale un Operatore radiomobile chevoglia operare con più sistemi deve avere una retefisicamente costituita da più reti di accesso checondividono al più gli stessi cabinet.

La situazione può cambiare radicalmente nel casosi prendano in considerazione i sistemi riconfigurabilinello sviluppo della rete, in particolare nel dispiega-mento delle stazioni radio base, compiendo un primopasso verso le “Cognitive Networks”. I vantaggi per unOperatore derivanti dall’utilizzo di una tecnologia diquesto tipo, infatti, sono i più svariati. Ad esempio,considerando un insieme ampio di celle adiacenti diuna certa area (es. una città od il suo centro), è possi-bile che il traffico di uno stesso sistema o di sistemidiversi, vari da una zona all’altra al variare delle ore delgiorno. Può inoltre succedere che ci siano celle conge-stionate, cioè caratterizzate da alte probabilità diblocco delle chiamate/connessioni, in alcune zone(dette hot spots) in cui il traffico è più consistente,mentre celle circostanti siano scariche ocaratterizzate da basse probabilità diblocco. Attraverso l’impiego di sistemi ricon-figurabili e di opportuni algoritmi di RadioResource Management (RRM) sarebbe pos-sibile, ad esempio, ridurre dinamicamente ilblocco di una cella o di un insieme di celleattingendo ed utilizzando le risorse asse-gnate alle celle circostanti, caratterizzate daun blocco minore o nullo. L’operatoreavrebbe quindi a disposizione una retemulti-standard riconfigurabile, gestita inmaniera efficiente ed in grado di adattarsidinamicamente alle variazioni di traffico ditutte le soluzioni radio presenti.

Un possibile approccio al problema èquello descritto di seguito [11] e rappre-sentato in figura 5, in cui sono riportati inodi di una generica rete di accesso diun sistema cellulare (un Radio Controllered una o più stazioni radio base), colle-gati alla core-network. A titolo esemplifi-cativo si prevede che i sistemi radiomo-

bili cellulari da gestire siano il GSM e l’UMTS. IlRadio Controller è in grado di gestire le risorseradio dei diversi sistemi che vengono utilizzati nellarete radiomobile (es. GSM e UMTS) e le stazioniradio base (es. BTS nel caso GSM e NodeB nelcaso UMTS) sono di tipo riconfigurabile e sono,quindi, in grado di gestire più standard. L’entità digestione delle risorse radio RRM presente nelRadio Controller ha il compito di monitorare lostato delle richieste provenienti dai diversi sistemie, periodicamente, riconfigura dinamicamente lestazioni radio base in modo che le risorse elabora-tive siano condivise tra i vari standard in coerenzacon il volume di traffico relativo. La riconfigura-zione delle stazioni radio base permette, quindi, diottimizzare la gestione delle risorse disponibili nellediverse celle in base al carico presente. Ad esem-pio (figura 6), considerando i due sistemi GSM eUMTS, in una cella con molti terminali che richie-dono servizi fornibili esclusivamente dall'UMTS (adesempio, videochiamata o trasferimento file ad altevelocità) e pochi terminali che richiedono servizifornibili con il GSM (come ad esempio la voce), ilRadio Controller si occuperà di riconfigurare la sta-zioni radio base in modo che la maggior parte dellacapacità elaborat iva s ia r iservata al l ’UMTS;oppure, in una cella con pochi terminali UMTS e

Base Station i

Base Station A

RRM

CoreNetworkReconfigurable

HWReconfigu-

rationcommand

RADIOCONTROLLER

RRM = Radio Resource Management

FIGURA 5› Architettura di riferimento con stazioni radio base riconfigurabili.

GSMUMTS

==

Global System for Mobile CommunicationsUniversal Mobile Telecommunication System

Capacità elaborativaprima

della riconfigurazione

Capacità elaborativadopo

la riconfigurazione

GSMUMTS

GSMUMTS

Base Station A

ReconfigurableHW

FIGURA 6› Esempio di riconfigurazione della capacità elaborativa all’interno di una

stazione radio base riconfigurabile.

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molti terminali GSM il Radio Controller si occuperàdi riconfigurare la stazioni radio base in modo chela maggior parte della capacità elaborativa siariservata al GSM.

Complessivamente, dal punto di vista architettu-rale sono previsti i seguenti elementi fondamentali:• le stazioni radio base sono realizzate con

hardware riconfigurabile;• i nodi Radio Controller sono in grado di gestire

più standard;• l’entità RRM presente nel nodo Radio Controller

ha una funzionalità opportuna di monitoraggiodello stato di attività nelle diverse celle di com-petenza delle stazioni radio base: in caso diarchitettura flat l’entità RRM risiede nella sta-zione radio base;

• sulla base dei risultati del monitoraggio dellostato di attività nelle diverse celle di compe-tenza delle stazioni radio base, l’entità RRM delnodo Radio Controller, se necessario, riconfi-gura l’hardware delle stazioni radio base.In generale, la riconfigurazione agisce su due

gradi di libertà: la capacità elaborativa assegnata aciascun sistema e le relative risorse radio. La ricon-figurazione prevede di spostare parte della capa-cità elaborativa assegnata ad un sistema verso unaltro sistema e di effettuare nel contempo il pas-saggio di r isorse radio tra cel le del lo stessosistema. In particolare, il passaggio di capacità ela-borativa tra due sistemi avviene all'interno dellastessa stazione radio base mentre il passaggio dirisorse radio avviene tra due celle dello stessosistema. Nei casi in cui vige un’allocazione staticadello spettro per ciascun RAT, un simile approccioprevede di non passare risorse radio (frequenze)tra un sistema ed un altro ma solo all'interno dellostesso sistema. Ulteriori sviluppi possono prenderein considerazione, ad esempio, il refarming dellabanda o anche schemi di allocazione dinamicadello spettro (ulteriori dettagli sono riportati nelseguito) in modo che sia possibile passare risorseradio (frequenze) da un sistema ad un altro.

Il monitoraggio viene eseguito periodicamentee, durante tale periodo, per ciascuna cella deisistemi GSM ed UMTS, i Radio Controller raccol-gono le informazioni relative al numero di richiesteeffettuate e se queste vengono o meno soddi-sfatte. Al termine di tale periodo viene eseguital’analisi dello stato di attività e si valuta l’even-tuale aggiornamento della configurazione: perogni cella, in base al livello di attività GSM eUMTS avvenute nel precedente periodo, si stabili-sce se sia necessario effettuare una riconfigura-zione delle risorse della stazione radio base. Inparticolare, verrà aumentata la quantità di risorseelaborative e radio assegnate ad una cella nelcaso in cui lo stato di attività di tale cella rileviuna congestione mentre verranno diminuite lerisorse elaborative e radio nel caso in cui la cellasia sovradimensionata per l'attuale situazione ditraffico. L'operazione di riconfigurazione può pre-vedere anche una verifica preventiva degli effettidell'operazione in modo da evitare di portare larete in uno stato instabile.

4.2 Dynamic Spectrum Management (DSM)

Ad oggi la gestione dello spettro è basata sulparadigma dell’assegnazione fissa e di lungo ter-mine. In particolare, un blocco di spettro radio èallocato ad un particolare standard radio (ad esem-pio GSM o IMT-2000) ed è ulteriormente suddivisoed assegnato ai diversi Operatori che adottano talestandard. Questi blocchi di spettro sono di dimen-sione fissa e sono di solito separati da una bandadi guardia di dimensione prefissata. Tali blocchi,inoltre, sono allocati ad uso esclusivo del posses-sore della relativa licenza per diversi anni.

Questo metodo tradizionale di gestione dellospettro ha numerosi e ben noti vantaggi:• possibilità di controllare l’interferenza tra diversi

Operatori/sistemi grazie all’uso di adeguatebande di guardia note e prefissate che compor-tano un basso livello di coordinamento neces-sario tra diversi Operatori/sistemi;

• semplicità realizzativa degli apparati, essendonota la banda operativa;

• bassa complessità anche a livello di controlloregolatorio.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 spettrosia basso in alcune frazioni giornaliere ed inalcune zone [16];

• sistemi o servizi diversi hanno picchi di trafficoin periodi diversi di tempo (si pensi ad esempioa servizi televisivi rispetto a servizi radiomobili);

• la domanda di servizi diversi comporta anche unavariazione spaziale dell’uso dello spettro (si pensiad aree business in cui i servizi vocali e dati sonopredominanti mentre servizi televisivi e entertain-ment sono predominanti in aree residenziali).Sulla base delle considerazioni precedenti, il

concetto emergente, in ambito di ricerca e regola-torio, di gestione dinamica dello spettro consistenel permettere la condivisione di porzioni di spettrotra un set ben definito di sistemi radio al fine digarantire a ciascun sistema la porzione ottimale dispettro necessario in un particolare intervallo ditempo e/o in un particolare luogo per soddisfarnela domanda di traffico corrente. In particolare,detto “util izzatore primario” il detentore dellalicenza di utilizzo dello spettro considerato, si defi-nisce “utilizzatore secondario” qualsiasi entità chepossa temporaneamente sfruttare le frequenze nonin uso dall’utilizzatore primario.

In dipendenza dalle modalità di applicazionedelle tecniche di gestione dinamica dello spettro ilbusiness di un Operatore radio mobile potrebbeessere modificato. La gestione dinamica dellospettro potrebbe dunque portare a scenari disrup-tive che modificherebbero l’attuale uso licenziatodello spettro, rendendo anche possibile la rialloca-zione del lo spettro ad al t r i Operator i inaree/momenti in cui lo spettro fosse libero, oppurenel caso si potesse affittare da altri Enti (es.Esercito, protezione civ i le, broadcaster ) inmomenti/aree di congestione ed elevato traffico.

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Ad oggi, in ambito regolatorio, i più attivi su que-sto fronte sono la FCC americana e la OFCOM bri-tannica, ma anche la Commissione Europea, sotto laspinta delle liberalizzazioni economiche, sta valu-tando le opportunità e le problematiche inerenti all’a-dozione futura del DSM. In ambito dei progetti diricerca internazionali, la tematica è molto sviluppatasia in USA sia in Asia che in Europa, in correlazionecon la tematica dei Cognitive Radio Systems, ritenutigli abilitatori tecnologici del DSM. In Europa, dopoalcuni progetti di ricerca del V Programma Quadro,quali DRIVE ed OVERDRIVE, che si sono occupati ditecniche DSM tra sistemi radiomobili e televisivi digi-tali (DVB-T e DVB-H), queste tematiche sono attual-mente trattate nel progetto E3, di cui Telecom Italia èmembro, ed in alcuni progetti strep quali ad esempioORACLE. In ambito di standard, i gruppi ITU-RWP1B e WP5A hanno ‘questions’ attive su CRS eDSA, mentre in ambito IEEE il gruppo 802.22 sta stu-diando problematiche di sua coesistenza con isistemi televisivi. Le soluzioni tecnologiche in gradodi abilitare la gestione dinamica dello spettro sonoad oggi divisibili in due categorie ben distinte: unabasata su algoritmi di sensing lato terminale ondeabilitare l’accesso opportunistico allo spettro(Dynamic Spectrum Access), l’altra basata su moda-lità di coordinamento lato rete, quali ad esempio l’im-

piego del Cognitive Pilot Channel (CPC). Tra questidue estremi sono allo studio soluzioni intermedie cheprevedono l’utilizzo congiunto e coordinato delle duetecniche.

4.2.1 Dynamic Spectrum Access (DSA)

Come accennato in precedenza, campagne dimisura effettuate in diverse parti del mondo hannoevidenziato alcune considerazioni sull’attualegestione dello spettro che possono essere rias-sunte nei tre punti seguenti [13]:• nonostante una larga parte dello spettro sia

allocata e ci sia la necessità di avere spettroaggiuntivo per nuovi servizi, una buona parte diesso rimane sotto utilizzata. Lo spettro allocatoalle reti di pubblica sicurezza, reti governativecome quelle militari, e diversi canali TV broad-cast UHF, ne sono degli esempi;

• diverse bande licenziate, quali quelle delle reticellulari, possono sperimentare elevati utilizzi,ma tale util izzo può variare fortemente neltempo e nello spazio;

• bande non l icenziate quali ISM (Industr ialScientifical and Medical) stanno sperimentandoun’elevata quanto incontrollata crescita dalpunto di vista di utilizzazione dello spettro.

Lo standard IEEE802.22Lo standard IEEE 802.22,attualmente in corso di finaliz-zazione, costituisce il primocaso di interfaccia radio con-cepita fin dall’inizio per operarein accordo a principi propri delCognitive Radio (CR) [12]. Ilavori di specifica sono statiavviati nel novembre 2004 avalle dell’autorizzazione daparte della FederalCommunications Commissionamericana per l’utilizzo senzalicenza della banda assegnataai broadcaster televisivi ed airadio-microfoni da parte didispositivi radiotrasmissivi dialtra natura. Questo a pattoche tali dispositivi non arrecas-sero disturbi ai broadcastertelevisivi detentori della licenza per talifrequenze. L’obiettivo era quello di defi-nire uno standard idoneo per garantirel’accesso wireless broadband fisso agliutenti residenti in zone rurali. La tecno-logia è stata pensata per permettereraggi di copertura fino a 100 km (da quianche la denominazione WRAN –Wireless Regional area Networks). Nellafigura A è mostrato un esempio di sce-nario secondo lo standard IEEE 802.22.

Gli elementi trainanti per questo stan-dard sono state sia le misure, chehanno evidenziato uno stato di sot-toutilizzo delle bande assegnate alleTV, sia i l previsto “switchover”(Febbraio 2009) da TV analogica a TVdigitale negli USA che renderà dispo-nibi l i ulteriori porzioni di banda.Queste porzioni di spettro che, in unadata zona geografica, non sono utiliz-zate dai licenziatari primari sono state

denominate “White Spaces”.Sfruttando le potenzialità messe adisposizione dalle tecnologie CR, si èquindi definito uno standard conce-pito per operare in accordo ai principidel “Agile Spectrum Access”,andando cioè a reperire dinamica-mente di volta in volta e in manieraopportunistica, porzioni di banda inu-tilizzate da sfruttare per erogare ilservizio.

WirelessMIC

WirelessMIC

WRANBase Station

WRANBase Station

Typical - 33 kmMax. 100 km

TVTransmitter

: CPECPEMIC

WRAN

===

Customer Premise EquipmentMICrophoneWireless Regional Area Networks

FIGURA A› Esempio di scenario 802.22.

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Sulla base di alcune di queste considerazioni,sotto forti spinte economico-regolatorie, sono infase di ricerca soluzioni per permettere di utilizzarelo spettro in modo più efficiente, sia nel tempo chenello spazio, consentendo un accesso dinamicoallo spettro. I l nuovo paradigma del DynamicSpectrum Access (DSA), abilitato dai rapidi sviluppidegli apparati programmabili e riconfigurabli,hardware cognitive radio e sensing dello spettroreal-time, punta a raggiungere questi obiettivi.

In questo contesto, sono allo studio metodi perdefinire ed effettuare misurazioni dello spettro ingrado di valutare nel modo più preciso possibile l’u-tilizzo delle risorse radio. Ad esempio, un terminalecognitivo che voglia accedere in modo opportuni-stico (e secondario) allo spettro, dovrà assicurarsi,tramite opportune misurazioni dello spettro, di poteraccedere alle risorse radio senza causare fenomeniinterferenziali che possano influire sul corretto fun-zionamento del sistema primario. È quindi evidentecome in questo ambito sia fondamentale poterdisporre di metodi capaci di misurare l’occupazionespettrale senza ambiguità, garantendo la massimaprecisione, affidabilità ed efficienza.

Come primo passo verso gli approcci descrittisopra, le attività di ricerca si stanno focalizzandosullo studio di diverse metodologie di misurazionedello spettro che cerchino di garantire i requisitirichiesti. In letteratura si possono trovare diversiesempi di tali metodologie, come quelli propostidallo Stevens Institute of Technology per i sistemiradiomobili GSM e CDMA IS-95 [13]. Basandosi sumisurazioni dei livelli di potenza di segnale ottenuteattraverso l’impiego di un analizzatore di spettro,con opportuni algoritmi matematici vengono sti-mate le occupazioni delle risorse radio in termini ditime-slots per il sistema GSM e numero di codiciper il sistema IS-95. Analisi simulative, basate sulconfronto dei risultati ottenuti attraverso l’applica-zione degli algoritmi proposti con le effettive risorseradio occupate, hanno dimostrato come le metodo-logie attualmente proposte siano molto sensibili allaparametrizzazione delle grandezze utilizzate per lastima. In particolare, la posizione del sensore, ilnumero di frequenze considerate per le misure edanche parametri “esterni” e non “controllabili” qualiil traffico di rete, influiscono in modo non trascura-bile portando a sovrastimare in alcune occasioni, ea sottostimare in altre, la vera occupazione spet-trale e delle risorse radio. Se ne deduce che attual-mente il lavoro di ricerca in questo ambito richiedeancora un notevole impegno al fine di elaboraremetodologie in grado di garantire un corretto fun-zionamento delle tecniche di DSA [14].

4.2.2 Cognitive Pilot Channel (CPC)

Per quanto riguarda le modalità assistite dallarete, una soluzione oggetto di studio nell’ambitodel progetto europeo di ricerca E3 è basata sulladisponibilità di un canale pilota, detto CognitivePilot Channel (CPC) [15]. Obiettivo principale delCPC è supportare il terminale, in fase di camping,nell’individuazione delle RAT, disponibili in una

certa area, in associazione con gli Operatori e lefrequenze di utilizzo. All’accensione, infatti, il termi-nale, in un futuro contesto multi-RAT con abilita-zione del la gest ione dinamica del lo spettro,potrebbe non essere conscio dei sistemi disponibilinell’area in cui si trova e/o delle frequenze su cuitali sistemi possono trovarsi ad operare. In talecontesto, il terminale sarebbe in grado di ottenerele informazioni tramite il canale CPC, senza doveranalizzare, in teoria, tutto lo spettro, evitandolatenze nel camping e consumi eccessivi delle bat-terie. Questa modalità permetterebbe inoltre dimantenere il controllo di un eventuale uso dina-mico dello spettro da parte della rete, controllandoopportunamente le operazioni di camping e diaccesso dei terminali.

Altre funzionalità supportate dal CPC ed allostudio nell'ambito di ricerca sono:• politiche di RRM: in un contesto multi-RAT, il

CPC potrebbe essere di aiuto per l’opportunaselezione dell’accesso radio, secondo politichedi gestione delle risorse radio scelte dalla rete ecomunicate al terminale tramite il CPC stesso.Un altro possibile esempio di utilizzo consistenel supporto a procedure di hand-over trasistemi diversi (vertical handover), in cui le infor-mazioni ut i l i per gest i re i l cambio dicella/sistema sarebbero convogliate al terminaletramite il CPC;

• supporto per la riconfigurazione e/o softwaredownload: il comando di riconfigurazione deiterminali potrebbe essere inviato attraverso ilCPC, con la possibilità di eseguire il downloaddel software stesso, nel caso il terminale nonavesse a disposizione il software del sistema dariconfigurare. La possibilità di eseguire anche ilsoftware download via CPC dipende fondamen-talmente dalla banda a disposizione del CPC.Affinché il CPC possa operare correttamente è

necessario creare un database, da aggiornaredinamicamente e coerentemente, con le variazionispazio-temporali dello spettro, che contenga leinformazioni necessarie (come esempio: sistemi inuso, relative frequenze, operatori) e le relativepolicies.

Da un punto di vista implementativo, le solu-zioni allo studio sono fondamentalmente due:Outband ed Inband. Nel caso Inband (figura 7), ilCPC verrebbe ad essere un canale logico all'in-terno dei sistemi radio esistenti, modificati oppor-tunamente come necessario, operante nelle bandedi frequenza dei sistemi considerati. A titolo esem-plificativo, in futuro si potrebbero dedicare uno opiù canali GSM per la trasmissione del CPC, utiliz-zando ad esempio la gamma dei 900 MHz e l’inter-faccia radio GSM, trasportando a livelli protocollaripiù alti (ad esempio il terzo) le informazioni delCPC. Il vantaggio di un tale approccio risiede nelnon dovere identificare una banda comune a livellointernazionale e nella possibilità di riusare quantoad oggi è già disponibile. Lo svantaggio principaleconsiste nelle possibili limitazioni di banda delCPC, o nella minor possibilità di coordinamento inun contesto multi-RAT/multi-operatore.

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La soluzione Outband invece (figura 8) si riferisceal caso in cui al CPC sia assegnata una gamma di fre-quenze a sé a livello internazionale o regionale/nazio-nale, con i relativi problemi regolatori da risolvere (adesempio identificare la stessa gamma di frequenza intutte le regioni ITU). Indipendentemente dalla bandanecessaria a trasportare le relative informazioni, il CPCpotrebbe avere un’interfaccia radio dedicata o basarsisu quelle esistenti (ad esempio GSM o UMTS o LTE),con opportune modifiche per inserire i protocolli e leprocedure tipiche del CPC.

5. Conclusioni

Come descritto in precedenza, negli ultimi anninel mondo delle telecomunicazioni sono emersi iconcetti di SDR (Software Defined Radio) e di CR(Cognitive Radio), prima nei contesti di ricerca erecentemente anche in quelli di standardizzazione,come una potenziale soluzione pragmatica: un’im-plementazione software degli apparati in grado diadattarsi dinamicamente all’ambiente in cui vengonodi volta in volta a trovarsi.

Di recente, negli ambienti di ricerca e di standar-dizzazione si sta assistendo ad una generalizzazionedi tali concetti, in modo da applicarli a qualsiasi dispo-sitivo della rete. In particolare, si parla sempre più diCognitive Radio Systems (CRS), vale a dire di sistemiradio nella loro interezza (terminale e rete) basati sucapacità cognitive. Un esempio di applicazione deiCRS sono le Cognitive Networks, reti in grado di adat-tare il proprio comportamento in base alla conoscenzadell'ambiente in cui si trovano ad operare.

Le possibili soluzioni a medio e lungo termine,legate ai sistemi SDR e CR, coinvolgono i nodi direte e l'allocazione dello spettro. In particolare, ladisponibilità di stazioni radio base riconfigurabili puòdare agli Operatori strumenti aggiuntivi di gestionedelle risorse radio e delle risorse elaborative in mododa raggiungere una maggiore efficienza nel loro uti-lizzo. D'altro canto, uno schema di gestione dellospettro di tipo dinamico potrebbe portare a scenari

particolarmente disruptive che modificherebbero l’at-tuale regolamentazione e che sono attualmenteoggetto di studio a vari livelli.

In generale le tecnologie SDR e CR possono avereimpatti per tutte le figure presenti nel mercato delletelecomunicazioni: manifatturiere, Operatori, utenti.

Per le manifatturiere si presenta la possibilità diconcentrare i propri sforzi di ricerca, progettazionee produzione su un set ridotto di piattaformehardware valide per ogni tipo di sistema e vendibilisu ogni mercato, non solo nazionale o regionale.Naturale sarà l’abbassamento dei costi di produ-zione in virtù di una notevole economia di scala.

Per gli Operatori la possibilità di implementare piùstandard sulla stessa stazione radio base permette diottimizzare gli investimenti ed una pianificazione effi-ciente della rete, considerando la possibilità di adat-tamento al traffico descritta in precedenza. Inoltre, siallunga il tempo di vita dell’hardware (sia della sta-zione radio base che del terminale d’utente) allonta-nando nel tempo il rischio di obsolescenza; la ripro-grammabilità del sistema consente in linea di princi-pio all’hardware di sopravvivere per un tempo mag-giore e di poter essere riutilizzato nel momento in cui isistemi di nuova generazione faranno il loro ingressoin campo, variandone il software, riducendone quindii costi. Oltre ai già citati possibili impatti sugli scenaridi regolamentazione, è comunque presumibile chedebbano essere adattate al nuovo contesto gli attualiprocessi di pianificazione e gestione.

Agli utenti sarà garantita una maggiore possibilitàd’impiego di sistemi diversi, ottimizzati per la frui-zione dei servizi richiesti nello specifico contesto diutilizzo, con la potenzialità di una mobilità globale.Non è inoltre da trascurare la possibilità per l’utentedi usare terminali riconfigurabili sulla base delleapplicazioni e delle modalità di sua preferenza.

Gli autori ringraziano i colleghi Sergio Barberis, AntonioBernini, Paola Bertotto, Giorgio Calochira, Maurizio Fodrini,Michele Ludovico, Nicola Pio Magnani, Fabio Santini eFranca Venir per il loro prezioso contributo all'attività ed ilsupporto nella fase di revisione dell’articolo.

Logical mappingover RATx

Time

CPC info

RATxdata

RATxdata

CPCdata

RATxdata

CPCdata

CPCdata

RATxdata

Mesh

Terminal

RATx Infrastructure

CPCRAT

==

Cognitive Pilot ChannelRadio Access Technology

FIGURA 7› Soluzione implementativa In-Band del CPC.

CPCRAT

==

Cognitive Pilot ChannelRadio Access Technology

MHz

CPC info

Mesh

Terminal

CPC Infrastructure

RAT1 RAT2CPC

FIGURA 8› Soluzione implementativa Out-Band del CPC.

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[email protected]@[email protected]

Enrico Buracchini , ingegnereelettronico, è in Azienda dal 1994. Ha fattoparte della delegazione italiana per il gruppoITU-R TG8/1, dedicato alla standardizzazionedei sistemi IMT 2000: ad oggi è delegato del3GPP RAN 1. Ha gestito, nel periodo 2000-2003, alcuni progetti di consulenza sullapianificazione UMTS per le consociate esterein Austr ia (Mobi lkom Austr ia ) e Spagna(Amena). È stato coinvolto in molti progetti

europei (COST, ACTS, IST) dedicati all’UMTS ed ai sistemi radio-mobili di futura generazione. Ha pubblicato molti articoli su UMTSe sistemi di futura generazione, sulle smart antennas, su SoftwareDefined Radio e Cognitive Radio. Dal 2003 gestisce in TILab iprogetti relativi a Software Defined Radio e Cognitive Radio,includendo anche le attività TILab in E2R I, E2R II ed E3.

Paolo Goria , ingegnere del letelecomunicazioni, entra in Azienda nel 1999,occupandosi dello studio di tecniche e strategiedi Radio Resource Management per i sistemiUTRA-FDD e GSM/(E)GPRS. Ha contribuito allaprogettazione e sviluppo di un strumento swper la simulazione di reti cellulari/wirelesseterogenee focalizzato anche sugli aspettiprotocollari. In passato è stato coinvolto nelleattività dei progetti IST ARROWS ed EVEREST.

Dal 2003 è coinvolto in TILab in un progetto dedicato al leproblematiche dei Sistemi B3G, SDR/CR e DSM, che ha incluso leattività dei progetti europei E2R I, E2R II e dell’attuale E3. In ambito distandardizzazione, è delegato Telecom Italia al gruppo ITU-R WP5A.

Alessandro Trogolo, ingegnere delletelecomunicazioni, entra in Azienda nel 2001,studiando le tecniche di accesso radio per isistemi GSM, (E)GPRS ed UMTS. Ha quindicontribuito alla progettazione ed allo sviluppo diun simulatore di reti cellulari GSM e (E)GPRSche affronta anche gli aspetti protocollari. Dal2003 è coinvolto nelle attività di TILab dedicateallo studio dei Sistemi B3G, SDR/CR e DSM.Ha lavorato nell’ambito dei progetti europei E2RI ed E2R II ed attualmente è coinvolto nelle

attività di TILab all’interno di E3. In ambito di standardizzazione, èdelegato Telecom Italia al gruppo ETSI TC RRS (ReconfigurableRadio Systems). Dall’inizio del 2008 ricopre il ruolo di vice-chairmandel WG6 “Cognitive Wireless Networks and Systems” all’interno delWWRF (Wireless World Research Forum).

[1] E. Buracchini, “The Software Defined Radio Concept”,IEEE Comms. Magazine, Sept 2000.

[2] J. Mitola, “The Software Defined Radio Architecture”,IEEE Comms. Magazine, May 1995.

[3] J. Mitola, “Software Defined Radio Technology challen-ges and opportunities”, Software Defined RadioWorkshop, Brussels, May 1997.

[4] Peter E. Chadwick, “Possibilities and Limitations inSoftware Defined Radio Design”, ETSI SDR Workshop,Sophia Antipolis, February 2007

[5] www.vanu.com[6] www.unstrung.com/document.asp?doc_id=164930[7] www.icerasemi.com/[8] J. Mitola et al., “Cognitive radio: Making Software Defined

Software Defined Radio more personal,” IEEE PersonalCommunications., vol. 6, no. 4, pp. 13-18, 1999.

[9] S. Haykin, “Cognitive Radio: Brain-Empowered WirelessCommunications” IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, vol. 23, no. 2, pp.201-220, 2005.

[10] FCC. Et docket no. 03-322. Notice of Proposed RuleMaking and Order, December 2003.

[11] E. Buracchini, P. Goria, A. Trogolo “A radio reconfigura-tion algorithm for dynamic spectrum managementaccording to traffic variations”, SDR Forum TC 07

[12] C. Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, “IEEE 802.22: AnIntroduction to the First Wireless Standard based onCognitive Radio”, 2006 Academy Publisher

[13] T. Kamakaris, M. M. Buddhikot, R. Iyer, “A Case forCoordinated Dynamic Spectrum Access in CellularNetworks”, DYSPAN 2005

[14] E2R II Deliverable D6.2 “Cognitive Networks: FinalReport on Internal Milestones, White Papers andContributions to Dissemination, Regulation andStandardisation Bodies”, Dicembre 2007

[15] E2R II Deliverable D6.1 “Cognitive Networks: FirstReport on Internal Milestones, White Papers andContributions to Dissemination, Regulation andStandardisation Bodies”, Dicembre 2007

[16] www.sharedspectrum.com/measurements/

— BIBLIOGRAFIA

AP Access PointASIC Application-Specific Integrated CircuitBB Base BandBPF Band Pass FilterBS Base StationBSC Base Station ControllerBTS Base Transceiver StationCDMA Code Division Multiple AccessCN Cognitive NetworkCPE Customer Premise EquipmentCPC Cognitive Pilot ChannelCR Cognitive RadioCRS Cognitive Radio SystemsDSA Dynamic Spectrum AccessDSM Dynamic Spectrum ManagementDSP Digital Signal ProcessorDVB-H Digital Video Broadcast - HandsetDVB-T Digital Video Broadcast - TerrestrialE2R End-To-End ReconfigurabilityE3 End-To-End EfficiencyETSI European Telecommunications Standards Inst.FCC Federal Communication CommissionFPGA Field Programmable Gate ArrayIF Intermediate FrequencyLNA Low Noise AmplifierLTE Long Term EvolutionOFCOM OFfice of COMmunicationsPDC Programmable Down ConverterRAT Radio Access TechnologyRNC Radio Network ControllerRRM Radio Resource ManagementRRS Reconfigurable Radio SystemSDR Software Defined RadioWCDMA Wideband CDMAWP Working Party

— ACRONIMI

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