LE TELECOMUNICAZIONI INTEGRATE

Le telecomunicazioni integrate

Convergenza nelle telecomunicazioni

Il mondo delle telecomunicazioni sta vivendo da qualche anno un’incredibile rivoluzione, incentrata sull’introduzione della mobilità, dunque del telefono cellulare e dei suoi derivati, e della multimedialità. Per multimedialità s’intende la comunicazione di informazioni eterogenee (voce, testo, grafici, immagini sia fisse sia in movimento) combinate opportunamente tra loro e inviate nel modo più efficace possibile a una o più persone (modalità unicasting oppure multicasting, rispettivamente), in tempo reale oppure in modo differito.

Dalla multimedialità scaturisce la nascita di nuove tipologie di servizio che, a loro volta, indirizzano l’evoluzione delle reti di telecomunicazioni che li forniscono: dalla specializzazione per servizio (rete tele­fonica, rete dati, rete televisiva e così via), in auge in precedenza, alla convergenza verso una rete unica di tipo multiservizio (voce, dati, video, audio musicale, Internet, immagini fisse e in movimento). Questa ulteriore rivoluzione del mondo delle telecomunicazioni, indotta dalla multimedialità, si è sviluppata negli ultimi decenni attraverso alcune tappe fondamentali: la conversione in forma digitale dei segnali telefonici, iniziata negli anni Sessanta del 20° sec.; la convergenza tra trasmissione e commutazione telefonica, avviata negli anni Settanta; la successiva convergenza, negli anni Ottanta, tra informatica e telecomunicazioni che ha dato vita alla information and communication technology (ICT), dunque alla realizzazione e gestione, con opportuni criteri di protezione e sicurezza nella trasmissione e recupero dell’informazione, di sistemi informativi computerizzati, delle relative piattaforme hardware e applicazioni software; una maggiore attenzione ai servizi, negli anni Novanta, con la liberalizzazione delle telecomunicazioni, nonché quella convergenza tra ICT e mondo audio-video che ha portato alla nascita della multimedialità.

Il nuovo secolo è stato finora caratterizzato dal trattamento integrato delle informazioni con modello Internet-IP (Internet Protocol) e dagli sforzi per conseguire l’integrazione tra reti fisse e mobili, terrestri, satellitari e aeree. L’attuale architettura della rete di telecomunicazioni contempla un segmento di trasporto a grande distanza e grande capacità (backbone), un segmento di utente o rete di accesso (local loop ovvero last mile) e una rete di giunzione (backhaul) che provvede alla diramazione tra la rete di trasporto e quella di utente. Per le reti di diffusione (broadcasting) i segmenti costituenti sono la rete di contributo, quella di distribuzione e la rete di diffusione che, rispettivamente, portano l’informazione da diffondere dalla periferia al centro, da lì ai trasmettitori e, infine, verso gli utilizzatori.

La convergenza in una rete unica integrata richiede il superamento di molteplici sfide legate agli aspetti tecnologici, di architettura e di progetto, che mettano al centro della realizzazione, in primo luogo, l’utente e le sue necessità di servizio.

Le sfide dell’integrazione

La rete di prossima generazione (next generation network, NGN) è dunque una rete di telecomunicazioni integrata, in grado di supportare molteplici tipologie di servizio (multiservizio). Oltre a conseguire un’indipendenza del servizio dalla rete, tale integrazione è destinata a far cadere la differenza tra reti fisse e mobili, per cui voce, Internet, mail e video saranno disponibili per l’utente sia che si trovi in ambiente aperto sia in interni (che si tratti di abitazioni o luoghi di lavoro). Ogni utente potrà dotarsi di un unico codice identificativo (numero personale) che permetterà di avere i propri servizi disponibili ovunque si trovi. Ci si attende che la NGN, oltre a migliorare la qualità dei servizi in mobilità, rendendola comparabile con quella offerta dalla fruizione in postazione fissa, renda più convenienti per l’utente anche i costi di tali servizi.

Per tutti i tipi di informazione, la rete integrata sarà basata su tecnologie web associate alle tecniche di garanzia della qualità di servizio (quality of service, QoS) per le comunicazioni in tempo reale. La NGN costituisce dunque l’infrastruttura integrata di rete che supporterà la seconda generazione di Internet (Internet 2), la rete delle reti per eccellenza. La rete integrata sarà aperta, con possibilità di condivisione di tutte le forme di comunicazione, modalità di accesso particolarmente semplice e capacità di coniugare unicasting, multicast­ing e comunicazione machine-to-machine, ovvero diretta tra terminali. Lo sviluppo di tale paradigma di rete deve armonizzare l’evoluzione tecnologica con un adeguato processo di standardizzazione e di introduzione di norme e strategie a livello delle singole nazioni e, in modo coordinato, in ambito europeo.

La realizzazione della NGN implica alcuni cambiamenti strutturali rispetto alle architetture attuali. Nella core network, per es., composta da tutti gli apparati di rete che costituiscono il livello di trasporto e dall’infrastruttura di un operatore e dei servizi di livello più basso offerti, lo sviluppo della NGN implica il consolidamento di numerose reti, ciascuna concepita inizialmente per un servizio diverso, in una rete di trasporto unica. Una delle conseguenze importanti è la migrazione della voce da un’architettura a commutazione a una paradigma di VoIP (Voice over Internet Protocol).

Nella NGN diviene più marcata la separazione tra la porzione riservata al trasporto, dunque alla connettività, e quella dedicata ai servizi. Tale separazione, per es., implica che, se un provider intende attivare una nuova prestazione, può agire direttamente sullo strato di servizio della rete, senza incidere su quello di trasporto. Un numero sempre crescente di applicazioni, inclusa la voce, tenderanno a essere indipendenti dalla rete di accesso (destratificazione della rete e delle applicazioni) e tenderanno a risiedere sempre di più nei dispositivi dell’utente (telefono, personal computer, set-top box ecc.).

Le sfide tecnologiche insite nella realizzazione della NGN sono molteplici: le nuove tecnologie per la banda larga e i nuovi paradigmi di rete interessano tutti i segmenti tipici dell’architettura di una rete di telecomunicazioni propriamente detta, ma l’infrastruttura con la maggiore evoluzione è certamente quella dell’accesso, in forte cambiamento con le nuove reti NGAN (Next Generation Access Network) che disarticolano l’accesso per l’utente con proposte variegate tese ad aumentare notevolmente la velocità (bit-rate).

Un’altra sfida importante legata all’armonioso sviluppo della rete integrata di telecomunicazione è un’efficace gestione dello spettro radio, una risorsa pregiata e destinata a favorire in modo crescente servizi, quali quelli in mobilità, che necessitano di radiofrequenze. L’impiego ottimale della risorsa spettrale è pertanto un aspetto che tutti i Paesi e la comunità internazionale stanno considerando da diverso tempo, e che comporta un accurato coordinamento anche per la protezione dalle interferenze radio tra nazioni confinanti. La gestione dello spettro ha importanti ricadute sulla confluenza dei servizi verso la rete integrata, in particolare sulla transizione in corso da televisione analogica a digitale nella diffusione terrestre. Una razionale attribuzione spettrale implica, in tal caso, l’opportunità di impiegare utilmente il dividendo digitale, cioè la capacità di trasmissione in eccesso derivante dalla transizione da trasmissione analogica a digitale, che introduce un miglioramento nell’efficienza di utilizzo delle frequenze per altre applicazioni quali il worldwide interoperability for microwave access, WiMax). Quest’ultima tecnica, che fornisce connettività senza filo interoperabile a banda larga a utenti con terminali fissi, portatili e nomadi, appare di grande rilevanza per superare l’eventuale divario (digital divide) esistente anche all’interno di aree geografiche dal forte sviluppo economico tra chi può accedere alle nuove tecnologie (Internet, personal computer ecc.) e chi no.

Il superamento del digital divide rappresenta uno snodo decisivo per giungere alla migliore fruizione da parte degli utenti dei servizi forniti dalla rete integrata di comunicazioni. In Italia, per es., circa 6 milioni di persone rischiano di non avere in futuro accesso alle reti a banda larga di prima generazione (alla velocità di 6 Mbps), condizione necessaria per le più diffuse applicazioni di comunicazione elettronica. Ciò è dovuto a motivi sia tecnici sia economici. A livello governativo è stato fissato al 2011 il traguardo di universalità per l’accesso alle reti a banda larga di prima generazione (fino a 6 Mbps). Il problema si potrebbe porre però, a breve, per le reti di seconda generazione (fino a 20 Mbps) e, in prospettiva, per quelle di terza generazione (50 Mbps), sulla scia di analoghi piani in corso di adozione in altri Paesi (per es., in Francia). Il superamento del digital divide implica, tra l’altro, la definizione di servizio universale in merito alle reti a banda larga, con indicazione e realizzazione del livello minimo di banda che dev’essere assicurato a tutti.

Lo sviluppo di un’infrastruttura integrata di telecomunicazioni implica, dunque, varie problematiche tecnologiche, da affrontare nelle loro diverse sezioni. Nella componente fissa NGN, alcuni temi di rilievo concernono: l’introduzione delle tecnologie DSL (Digital Subscriber Line) ad alta velocità (Very High Speed DSL, VDSL), PON (Passive Optical Network), WDM (Wavelength Division Multiplexing), WiMax 2004, nonché dei nuovi sistemi di supervisione di rete; lo sviluppo di nuove piattaforme, cioè di middlewares, che permettono una sempre maggiore divaricazione tra rete e servizi; l’introduzione di servizi ICT innovativi in rete a beneficio di consumatori, imprese e pubblica amministrazione.

Nelle sezioni mobili dell’infrastruttura integrata, le sfide sono legate allo sviluppo di tecnologie per la convergenza mobile-fisso nonché al dispiegamento delle nuove reti di generazione successiva alla terza (3.5G e 4G) con l’introduzione della tecnologia HSPA (High Speed Packet Access), WiMax 2005, LTE (Long Term Evolution) con capacità, a parità di occupazione spettrale, da cinque a dieci volte quelle attuali.

Per quanto concerne le porzioni di rete dedicate alla diffusione audio-video, il punto cruciale è legato allo sviluppo degli standard di seconda generazione degli attuali sistemi digitali, in particolare il DVB (Digital Video Broadcasting) per una modalità di trasmissione digitale terrestre (DVB-T), satellitare (DVB-S), all’interno di una rete IP (DVB-IP), DMB (Digital Multimedia Broadcasting). Il DVB-IP, in particolare, deriva dalla crescente diffusione di Internet e degli accessi a banda larga, che hanno spinto il consorzio DVB a sviluppare, oltre alle specifiche per la trasmissione terrestre e satellitare, anche un set di specifiche per la diffusione di servizi DVB all’interno di una rete IP. Le specifiche sono studiate principalmente per la diffusione via IP multicast di servizi di pay-TV e VOD (Video On Demand), oltre che per la realizzazione di semplici applicazioni Java; al momento non sono ancora attivi servizi DVB-IP sul territorio italiano.

In relazione allo spettro da assegnare alle varie sezioni della rete di telecomunicazioni integrata, risulta evidente il legame con lo sviluppo di tecnologie innovative per l’attribuzione migliore delle risorse spettrali, quali l’allocazione di tipo ibrido e di tipo dinamico che garantisce una grande flessibilità alla rete, e le tecniche di protezione da interferenze che consentono un migliore impiego della banda.

Integrazione di mezzi trasmissivi

La convergenza di servizi diversi su un’unica infrastruttura di rete si ottiene anche attraverso alcuni importanti elementi di progetto. Il primo consiste nell’integrazione di vari mezzi trasmissivi e delle relative componenti di sistema per sviluppare, in modo completo ed efficace, l’architettura della rete. La rete, quindi, può contemplare alcune tra le seguenti parti cooperanti e opportunamente interfacciate: componente terrestre (ossia reti cablate, mobili e senza filo); componente satellitare, con satelliti in orbita geostazionaria, altamente ellittica, bassa, intermedia; componente stratosferica, con l’impiego di piattaforme oppure di aerei con o senza pilota. Tali diversi elementi possono appartenere o meno a sistemi preesistenti; in quest’ultimo caso è delicato il progetto delle interfacce, al quale è affidata non soltanto l’efficacia del trasporto sulla rete integrata, ma anche la sicurezza dell’informazione nonché la fruibilità dei servizi da parte dell’utente in modo trasparente e funzionale alla complessità della rete (approccio in cui la rete integrata è utente-centrica).

Un altro elemento importante nella realizzazione della rete integrata è la disponibilità di un insieme variegato di mezzi trasmissivi che arrivino all’utente finale, quali il doppino in rame, la fibra ottica, il satellite, il mezzo radio terrestre, sia in modo diffusivo (broadcasting) sia tramite tecnologie quali il Wi-Fi (Wireless Fidelity) e il WiMax.

Nella rete integrata di telecomunicazioni l’impiego estensivo in varie sezioni della tecnologia senza filo (wireless) accresce l’offerta di servizi e applicazioni a banda larga. Wi-Fi, WiMax, DVB-RCS (DVB-Return Channel Satellite) via satellite, ossia lo standard del consorzio europeo DVB per una modalità di trasmissione televisiva satellitare, rappresentano tecnologie chiave in tal senso. L’efficacia della rete viene accresciuta dal largo impiego del protocollo TCP-IP (Transmission Control Protocol-IP). In alcune circostanze, inoltre, sistemi così concepiti contribuiscono a risolvere la necessità di comunicare, come avviene, per es., quando si devono ripristinare le comunicazioni nel corso di emergenze ed eventi catastrofici, oppure nel dispiegamento di servizi di comunicazione in aree rurali tipicamente affette dal problema del digital divide.

Nel caso di una rete integrata wireless, l’architettura è costituita da una rete senza filo di accesso e di distribuzione, da terminali di utente satellitari e senza filo, da punti di accesso alla rete satellitare, da stazioni mobili integrate e da un centro di servizio.

L’integrazione efficace – soprattutto dal punto di vista dell’utenza – tra vari mezzi trasmissivi, tecnologie e sistemi tende a impiegare, a beneficio delle prestazioni, la complementarità tra le diverse componenti e, in particolare, tra le varie soluzioni di telecomunicazione. L’infrastruttura deve, dunque, contemplare cooperazione e interoperabilità delle reti satellitari con le reti tradizionali wireless, quali GSM/GPRS (Glob­al System for Mobile communications/General Packet Radio Service), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), TETRA (TErrestrial Trunked RAdio) e la sua versione TETRA2; WLAN (Wireless Local Area Network), in particolare sistemi Wi-Fi e UWB (Ultra Wide Band) che permettono comunicazioni su banda larga anche se su brevi distanze; sistemi con filo (wireline), in particolare le reti ottiche che permettono, per loro natura, comunicazioni su banda larga sicure; la componente satellitare dello UMTS (Satellite UMTS, S-UMTS) in associazione a quella terrestre.

Integrazione della tecnologia TETRA

Il processo di sviluppo delle reti integrate può anche prevedere la migrazione di tecnologie consolidate, applicabili in ambiti geografici e di utenza ristretti, a scenari, architetture e servizi più estesi. Un esempio di tale sviluppo dell’integrazione sta attualmente riguardando la tecnologia TETRA.

Il mercato delle comunicazioni mobili professionali, che comprende gli accessi radio privato (PMR, Private Mobile Radio) e pubblico (PAMR, Public Access Mobile Radio), ha tradizionalmente vissuto una notevole dispersione in termini di tecnologie e frequenze allocate. Il primo significativo cambiamento verso una standardizzazione internazionale è stato segnato dall’introduzione, nel 1988, dello standard analogico MPT1327 per un’infrastruttura radio di tipo trunked, ossia volta a massimizzare la capacità del sistema di radiocomunicazioni attraverso una condivisione dei canali da parte di diversi gruppi di utenti, invece di concedere a ciascuno di essi l’utilizzo esclusivo di frequenze.

TETRA è, invece, il primo vero standard aperto per un sistema radiomobile digitale, definito dall’ETSI (European Telecommunications Standard Institute), che pubblica standard di telecomunicazione obbligatori in Europa ma anche ampiamente applicabili al di fuori di essa. Lo standard TETRA non dettaglia una particolare architettura di rete, ma definisce l’interfaccia tra la rete TETRA e altre reti di telecomunicazione, quali la ISDN (Integrated Services Digital Network), PSTN (Public Switched Telephone Network), PDN (Public Data Network), PABX (Private Automatic Branch eXchange) e altri sistemi TETRA. L’architettura di rete è lasciata a realizzazioni di tipo proprietario, in modo da conseguire soluzioni ottimali per varie applicazioni. TETRA è, dunque, un potente standard multifunzione per comunicazioni radiomobili il quale fornisce uno strumento completo in grado di soddisfare requisiti di sistema diversificati, fornendo una capacità radio comprensiva di comunicazioni trunked e non, nonché connessioni dirette tra terminali mobili con una varietà di servizi quali voce, dati e brevi messaggi. Fornisce, altresì, servizi supplementari quali invio di autorizzazioni alla chiamata, assegnazione dinamica di gruppo, chiamate con priorità e altri servizi per comunicazioni in ambienti ostili, come, per es., il monitoraggio delle chiamate da un sito di controllo oppure la commutazione del terminale TETRA in modalità di intercettazione ambientale. In molti Paesi, TETRA viene adottato come uno standard de facto nei nuovi sistemi radio digitali di tipo trunked, con una rapida crescita mondiale nello sviluppo di reti basate su tale tecnologia in ambito sia pubblico sia privato. È una tecnologia assai versatile, dal momento che è in grado di fornire sia servizi specializzati per il settore affari, per la pubblica sicurezza, per applicazioni militari e per missioni di particolare criticità, sia servizi tradizionali di tipo cellulare, superando dunque la normale dicotomia del mercato tra utenza tradizionale e specializzata.

TETRA appare, dunque, particolarmente interessante nello sviluppo di reti di telecomunicazioni integrate: è in corso, pertanto, un’intensa attività per completarla con varie tecnologie a diverso livello di maturità, anche nella prospettiva di venire incontro alla crescente esigenza dell’utenza di un’ampia offerta di applicazioni multimediali. Un primo passo per l’integrazione è rappresentato dalla convergenza sulla core network basata su IP: tutti i segnali voce, dati e video possono essere scambiati attraverso reti diverse impiegando un core IP. L’impiego del protocollo TCP/IP su TETRA assicura un’adattabilità universale delle applicazioni di utente e l’accesso a Internet. Il problema della velocità di trasmissione ridotta è risolto dall’introduzione da parte di ETSI della versione 2 di TETRA, in cui è definita una trasmissione dati ad alta velocità: il risultante TETRA enhanced data service (TEDS) è assai flessibile, e consente velocità variabili attraverso canali con differenti bande.

La realizzazione più avanzata che fornisce l’integrazione di TETRA con altri sistemi, in particolare con sistemi via satellite, è attualmente un centro trasportabile (nomadic center), sviluppato da aziende italiane per la protezione civile, particolarmente utile in situazioni di emergenza. Il sistema è in grado di integrare tecnologie terrestri senza filo, quali WiFi, WiMax, TETRA, GSM, Radio-UHF/VHF (Ultra High Frequency/Very High Frequency), DTT (Digital Terrestrial Television), e di fornire un collegamento di riserva a banda larga via satellite per mezzo della tecnologia SkyplexNet. L’integrazione della tecnologia TETRA con quella satellitare è molto vantaggiosa, in particolare in condizioni di emergenza: i sistemi via satellite possono fornire all’area coperta da TETRA dati e/o informazioni utili e, contemporaneamente, i dati/informazioni scambiati tra utenti TETRA possono essere resi disponibili per aree a copertura satellitare. L’aspetto importante nella convergenza tra TETRA e satellite consiste nello sviluppo di un’appropriata interfaccia (TSI, TETRA-Satellite Interface) che sia in grado di gestire lo scambio di dati tra il satellite e la rete TETRA e di analizzare dati grezzi in modo da trasferire attraverso TETRA soltanto il volume di dati compatibile con le velocità consentite. Attraverso la TSI possono fluire dati appartenenti a sistemi di diversa natura che coprano l’area di interesse per il dispiegamento della rete TETRA, come quelli di navigazione satellitare, di osservazione della Terra e, naturalmente, di comunicazione.

Nello scenario integrato per applicazioni di emergenza, i sistemi di comunicazione via satellite forniscono la connettività di supporto a una stazione satellitare trasportabile, in grado di interfacciare una rete locale TETRA con un’altra collocata nella copertura, oppure con un centro di controllo. Nel breve e medio termine, si prevede l’integrazione tra una cella TETRA isolata, che stia operando in DMO (Direct Mode Operation), con un sistema di comunicazioni via satellite. Il DMO è una modalità operativa molto efficace che consente il dispiegamento di una rete dedicata senza la necessità di alcuna infrastruttura. L’integrazione è ottenuta con una stazione trasportabile che realizza l’interfaccia tra TETRA e il sistema satellitare. TETRA è più adatto a situazioni di emergenza dei sistemi commerciali (GPS, GPRS, UMTS), poiché la sua natura professionale evita la congestione della rete. L’isolamento intrinseco della cella in DMO, che non consente uno scambio di comunicazioni con il mondo esterno, e la necessità di un’infrastruttura terrestre, che può rappresentare un punto debole in scenari di disastri naturali o indotti dall’uomo, sono superati proprio dalla realizzazione di un’integrazione con i sistemi satellitari. Nell’architettura integrata, una stazione trasportabile può svolgere le funzioni di interfaccia tra i terminali TETRA e il satellite di comunicazioni. Tale stazione può fungere sia da ponte per i terminali TETRA che desiderano accedere alle reti remote attraverso l’estensione satellitare sia da ripetitore per quei terminali TETRA che vogliano collegarsi localmente nell’area di copertura della stazione stessa. Il sistema satellitare invia il segnale a una stazione terrestre che, a sua volta, invia i dati a un centro, per es. di emergenza, attraverso un canale dedicato cablato oppure attraverso un VPN (Virtual Private Network). Una possibile alternativa nell’ambito dell’architettura integrata prevede che la stazione di terra rilanci i dati sulla rete commutata TETRA. In uno scenario a lungo termine, la rete terrestre TETRA si integrerà in modo completo con un sistema globale integrato via satellite (GISS, Global Integrated Satellite System), in cui sono disponibili dati di natura diversa (relativi a comunicazioni, navigazione e osservazione).

Integrazione delle telecomunicazioni con altri servizi

Accanto al concetto di una rete integrata di telecomunicazioni e alle architetture inerenti il relativo sviluppo, si inserisce un diverso aspetto dell’integrazione, anch’esso concorrente alla convergenza efficace e utente-centrica di infrastrutture e servizi. L’ICT, di recente anche indicata con la sigla ICMT (Information Communication and Media Technology), è una disciplina più ampia rispetto alle sole telecomunicazioni. L’ICMT è un tessuto connettivo di sistemi per servizi diversificati e sono tanti i possibili campi di applicazione a carattere trasversale, tra l’altro legati all’impiego di reti a banda larga, tra cui monitoraggio ambientale, sanità, mobilità e localizzazione. Si configura, pertanto, la convergenza tra i servizi del mondo ICT, in particolare le telecomunicazioni, e quelli legati a due ambiti importanti: l’osservazione della Terra e la navigazione satellitare.

La sinergia tra funzionalità di comunicazione e servizi di posizionamento prodotti dai sistemi di navigazione satellitare globali (GNSS, Global Navigation Satellite Systems), come il sistema statunitense GPS (Global Positioning System) e, a breve (si stima nel 2013), il sistema europeo Galileo, genera i servizi denominati di NavCom (Navigazione e Comunicazione). La cooperazione a livello di servizio tra i GNSS e le reti mobili produce, per es., la possibilità di localizzazione del terminale mobile e, dunque, di fornitura dei location-based services (LBS). Il crescente interesse verso questi ultimi è stato determinato dal progresso nei livelli di accuratezza raggiunti dagli odierni sistemi di localizzazione. L’informazione sulla posizione viene anche impiegata in algoritmi di gestione delle risorse radio o della mobilità dell’utente, in applicazioni con reti omogenee (dunque non integrate) per le case del futuro (smart homes o case intelligenti) e i sistemi cellulari.

L’impiego dell’informazione sulla posizione e sul contesto è stato di recente proposto in reti eterogenee per migliorare l’efficienza dell’integrazione tra le reti d’accesso, attraverso la definizione di un’architettura distribuita, corredata di opportuni algoritmi e protocolli, necessaria per raccogliere, distribuire e impiegare le misure sulla posizione provenienti da diversi sistemi di localizzazione e le informazioni sulla situazione dell’utente e/o della rete (progetto ICONA, Integrated COmmunications and NAvigation, del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, 2005). Il termine posizione assume un significato ampio, in quanto può riferirsi alla posizione geografica sia dell’utente sia di un nodo della rete (satellite LEO, nodo di una rete di sensori), mentre il termine contesto si riferisce sia alla situazione sociale in cui si trova l’utente sia alle condizioni della rete d’accesso (condizioni di traffico, condizioni di canale). Per utilizzare questa informazione sia dal lato utente sia dal lato rete, essa dev’essere raccolta e distribuita in modo trasparente rispetto all’utente. Sono, altresì, necessari terminali riconfigurabili in grado di adattarsi in base alla ricezione delle informazioni.

Nell’architettura integrata, i dati di posizione sono forniti da sensori costituiti da ricevitori GPS/Galileo, ricevitori di localizzazione basati su tecnologie quali UWB, Bluetooth, RFID (Radio Frequency IDentification). La posizione dell’utente in varie situazioni, in ambienti esterni o interni, si ottiene integrando con un opportuno dispositivo (uno dei nodi della rete di sensori) ricevitori per localizzazione di diversa natura (GPS, Galileo, UWB, Bluetooth). Con il termine contesto ci si riferisce, inoltre, all’impiego di un insieme di parametri. Tale utilizzo avviene attraverso un’entità tecnica responsabile della raccolta e della consegna alla rete di accesso di informazioni in grado di descrivere l’ambiente che circonda l’utente, i dispositivi che usa e le reti di accesso con cui interagisce. Le informazioni riguardanti il contesto sono di natura oggettiva, in quanto estratte da sensori ambientali. Il passaggio da informazioni oggettive alla descrizione soggettiva del contesto viene dettato dal profilo utente, che può essere utilizzato per fornire informazioni personali e preferenze dell’utente stesso. Durante l’utilizzo di un servizio, quest’ultimo è in grado di cambiare il proprio profilo, che può essere memorizzato in uno o più terminali di utente (per es., in una SIM card) e, di conseguenza, determinare nuovamente la sua percezione del servizio (soddisfazione o disagio).

L’architettura integrata può prevedere la disponibilità di diverse reti di accesso, che interagiscono tramite una piattaforma comune fornita da un provider errante per la raccolta delle informazioni su contesto e posizione, la relativa distribuzione verso i punti di interesse e l’inizializzazione delle procedure di gestione dell’utente nel passaggio tra le diverse reti di accesso (handover). L’elemento chiave del provider è un server che processa e memorizza le informazioni di contesto e posizione e interroga le basi dati su cui sono memorizzate le informazioni relative alle reti di accesso.

Le reti e i sistemi di comunicazione eterogenei possono essere efficacemente orchestrati attraverso l’introduzione di uno strato di middleware, un insieme di programmi informatici che fungono da intermediari tra varie applicazioni e sono spesso impiegati come supporto in applicazioni distribuite complesse, da collocare tra lo strato di applicazione e quello di rete. Recenti attività di ricerca nel settore hanno condotto alla progettazione dello strato middleware basata su agenti intelligenti, capaci di supportare l’utente nella selezione della rete di accesso, nella fase di identificazione dei servizi e nell’adattamento dei parametri di qualità di servizio in fase sia di avvio sia di handover. Gli agenti cooperano per eseguire procedure di allocazione delle risorse radio, tenendo in considerazione informazioni di posizione e di contesto memorizzate nei profili sia dell’utente sia della rete, e impiegano diversi repositories, ovvero ambienti dei sistemi informativi in cui vengono gestiti i metadati (informazioni che descrivono un insieme di dati) attraverso tabelle relazionali, per la memorizzazione dei profili e della storia degli utenti, delle informazioni di autenticazione e di quelle relative alla locazione dei nodi della rete. L’agente che opera a livello di utente è realizzato sul terminale utente, ne rileva le caratteristiche, quali, per es., le interfacce di rete disponibili, il loro stato e la potenza del segnale ricevuto, e segue l’utente nei suoi spostamenti, monitorando il suo contesto locale e interagendo sia con l’utente stesso, per rilevare le sue preferenze e informarlo dell’assegnazione delle risorse, sia con gli altri agenti distribuiti in rete per autenticare l’utenza, segnalare i requisiti dell’applicazione, aggiornare le informazioni di posizione e contesto, negoziare le risorse disponibili. L’agente d’utente posizionato nel lato rete realizza l’algoritmo di selezione della rete, nella fase di accesso e durante l’handover, e dei servizi disponibili per l’utente; riceve dagli altri agenti il profilo storico e quello corrente dell’utente, il profilo della rete e dei servizi disponibili. Esiste poi un agente che scopre i servizi a disposizione e offerti dai providers nel segmento di rete di sua competenza. L’agente che opera a livello di risorse radio è posizionato sulla piattaforma (host) che ospita il punto di accesso alla rete, effettua un monitoraggio delle risorse di essa e dei parametri di qualità di servizio correnti e mantiene le statistiche sui comportamenti passati della rete.

L’efficacia di una rete con servizi integrati NavCom è associata alla gestione dell’utenza, per garantire non solo la continuità ma anche la qualità desiderata di servizio e la cosiddetta user satisfaction, con algoritmi la cui regola di decisione si basi su informazioni sia di posizione sia di situazione dell’utente stesso. La soddisfazione dell’utente non sempre coincide con la qualità di servizio, se quest’ultima implica, per es., un aggravio economico oppure di consumi della carica residua di batteria. L’impiego di opportuni terminali multimodo consente all’utenza di essere indirizzata nella scelta tra le reti di accesso disponibili, sulla base delle informazioni di posizione e contesto scambiate tramite agenti a livello middleware. L’algoritmo di decisione per la gestione dell’utente deve tenere conto del fatto che il contesto è una combinazione di elementi oggettivi, quali l’applicazione e i relativi requisiti, le condizioni del canale radio, il consumo energetico e il costo dei servizi, e le preferenze dell’utente, opportunamente memorizzate nel relativo profilo.

L’impiego di informazioni di posizione in un meccanismo di handover, dunque di gestione del passaggio dell’utente mobile tra porzioni diverse di una rete integrata, per es. tra UMTS e WLAN, contempla una fase di attivazione per la rilevazione della copertura di una rete WLAN e l’attivazione dell’interfaccia radio WLAN, e una fase di decisione per la verifica dell’opportunità o meno di procedere all’handover. L’impiego dell’informazione sulla posizione dell’utente mobile e dei punti di accesso della rete WLAN elimina la necessità di dover tenere accesa l’interfaccia radio WLAN per fare costantemente la scansione della rete e verificare la disponibilità di copertura; l’interfaccia radio viene, dunque, accesa soltanto se l’utente mobile si trova nelle vicinanze dei punti di accesso della WLAN cui ha il permesso di accedere, con un conseguente risparmio energetico.

Rete integrata sicura per applicazioni istituzionali

Un’area di importante applicazione della rete integrata riguarda i vari operatori istituzionali (in particolare le CNI, Critical National Infrastructures) che intervengono durante le emergenze, con la necessità di operare sul territorio, il più delle volte in movimento e in condizioni operative disagiate: gli operatori cui ci si riferisce sono, in particolare, la protezione civile, le forze dell’ordine, le forze armate e i vigili del fuoco. Essi svolgono un’opera di monitoraggio e controllo capillarmente diffusa sul territorio in vari ambiti, quali il contrasto della criminalità (anche nelle sue forme più nuove quali, per es., il terrorismo, l’immigrazione clandestina), le operazioni di mantenimento e rafforzamento dei trattati di pace (peace keeping e peace enforcing) in situazioni postbelliche su territori extranazionali, la prevenzione e la gestione di disastri naturali ed emergenze del territorio. In tali ambiti si riscontra altresì la crescente necessità di disporre, su base locale, in tempi rapidi e con garanzia di riservatezza a vari livelli, di grandi quantità di informazioni che fondano in modo efficace dati e immagini, informazioni incrociate tra banche dati distribuite sul territorio, per essere in grado di inviare immagini in movimento e fisse, e strutture dati complesse dal luogo delle operazioni.

Le esigenze descritte evidenziano una tipica applicazione in cui hanno particolare importanza un coordinamento tra diversi sistemi, la disponibilità di una struttura di rete integrata, coordinamento e integrazione dei servizi di comunicazione con altri servizi, quali l’osservazione della Terra e il posizionamento attraverso sistemi di navigazione satellitare.

Un’altra esigenza istituzionale è la richiesta di servizi integrati di telecomunicazioni, e dunque di reti in grado di fornirli, basati su applicazioni dedicate alla specifica istituzione, da utilizzare congiuntamente sul campo e in centri di supervisione e controllo, per rendere sinergica ed efficace l’attività svolta sul campo. Le reti pubbliche, se anche avessero già compiutamente raggiunto un maturo livello di integrazione, tendono comunque a essere saturate velocemente e un’eventuale interruzione del servizio, in situazioni di calamità naturali oppure emergenze, risulterebbe estremamente critica. Da queste considerazioni scaturisce un’ulteriore necessità di convergenza tra sistemi, reti e servizi: l’integrazione tra sistemi principali e riserve (backup).

La disponibilità di reti di backup basate su mezzi trasmissivi alternativi a quelli del sistema principale può rappresentare il fattore chiave per il controllo della crisi, soprattutto nella fase iniziale. Per es., l’impiego di una rete via satellite come sistema di backup può avere un ruolo fondamentale nella messa in opera di una rete per comunicazioni sicure fra enti istituzionali operanti su scala nazionale e internazionale. Questa strategia è in grado di garantire comunicazioni sicure anche in situazioni critiche dovute a catastrofi naturali, attentati o semplicemente a situazioni di congestione o indisponibilità del segmento terrestre, come per i problemi derivanti da black-out su scala estesa, anche nazionale o multinazionale. Diventa, inoltre, possibile comunicare con operatori mobili su mezzi terrestri, navali e aerei, inclusi elicotteri.

Anche in questa tipologia d’integrazione, la misura di efficacia del sistema è data da estensione e flessibilità della copertura; indipendenza operativa; trasparenza, per l’utente, delle soluzioni tecniche e tecnologiche che innescano il sistema principale oppure il suo backup; personalizzazione del servizio in base alle necessità dell’utenza, pertanto modularità e configurabilità di servizi differenti che utilizzano lo stesso sistema di telecomunicazione, a costi relativamente bassi; compatibilità e interoperabilità con sistemi di telecomunicazione tradizionali, tali da permettere di configurare il servizio e la rete secondo la singola istituzione richiedente e le sue necessità operative; affidabilità della rete e sicurezza delle comunicazioni; sufficiente banda trasmissiva, al fine di gestire applicazioni in tempo reale che rendano disponibili e scambino localmente grandi quantità di dati con siti centrali o ancora locali. Un sistema di telecomunicazioni istituzionali integrato copre un’utenza che, per sua natura, è composta da diversi organismi con differenti necessità operative, sia in termini di applicazioni e struttura decisionale operativa sia di localizzazione territoriale. In tale ambito, la realizzazione di una pluralità di centri di servizio di supporto alle decisioni orientati verso la specifica applicazione (quindi appartenenti a enti diversi), distribuiti sul territorio attraverso le reti convenzionali oppure satellitari, che supportino le operazioni in zona operativa rappresenta, dunque, una soluzione efficace. Questa visione comporta la necessità di creare un sistema aperto, in grado di evolvere congiuntamente alle necessità operative dell’utenza, permettendo di slegare la realizzazione della componente satellitare da quella dei centri di servizio, che potranno essere in numero variabile e con applicazioni dedicate e distribuiti sul territorio secondo necessità. Quest’ultimo punto comporta inevitabilmente la connessione e l’interoperabilità di questi centri di servizio con le reti tradizionali, in configurazioni tali da garantire comunque la sicurezza e l’affidabilità complessiva.

Nello sviluppo della rete integrata per fini istituzionali, gli aspetti di sicurezza assumono un ruolo particolarmente delicato. Sviluppare una rete integrata sicura e affidabile significa concepire e sviluppare un’architettura in grado di consentire una visione globale della rete stessa che vada al di là del cablaggio, dei protocolli e degli applicativi. Le attuali reti per comunicazioni sicure fra gli utenti mobili (per es., TETRA) permettono l’impiego con modalità di trasmissione slegate dalla presenza di una rete di supporto di tipo fisso. In questo tipo di modalità, un gruppo chiuso di terminali può formare una piccola rete autonoma, la cui utilità è peraltro limitata dal non poter essere interconnessi con la rete generale. Il ruolo del satellite, in tale ambito, concerne sia l’interfaccia verso il backbone, con vantaggi in termini di utilità ed estendibilità del servizio, sia l’impiego da parte delle stazioni base come rete di backup, di segnalazione, di scambio di credenziali sicure per comunicazioni strategiche terrestri o per l’ottimizzazione delle risorse, assumendo l’uso di satelliti con elevate capacità a bordo per un’utilizzazione efficace e per il mantenimento dei livelli di sicurezza necessari. Ciò può essere ottenuto con l’impiego di una connettività nella costellazione di satelliti che implica l’impiego di una o più delle seguenti strategie: collegamenti intersatellite (DRS, Data Relay Satellite); instradamento a bordo dei satelliti; possibilità di operazioni in assenza di un centro di controllo di rete e/o di stabilire percorsi per il flusso dati che non coinvolgano stazioni terrestri diverse da mittente e destinatario.

Reti duali

Un altro importante aspetto dell’integrazione riguarda la convergenza, attraverso tecnologie e sistemi comuni, di due classi di utenti assai diverse: il mondo civile e quello militare. Nasce, così, il concetto di tecnologie e applicazioni duali; con la locuzione sistemi a uso duale oggi ci si riferisce a tutti quei sistemi ideati, progettati e realizzati allo scopo di un utilizzo congiunto per finalità sia da parte dell’utenza civile sia da parte di quella militare.

Le telecomunicazioni, tessuto connettivo di tutti i sistemi in cui un particolare servizio o un’applicazione debbano essere, con determinati requisiti, trasferiti, trovano nella convergenza tra utenza civile e militare un terreno fertile per l’integrazione con le applicazioni di osservazione remota del territorio, in particolare dallo spazio. Nell’odierno mondo globale, infatti, la quarta dimensione, ovvero lo spazio, ha un ruolo chiave, per le applicazioni militari come per quelle civili, sia istituzionali sia commerciali: per questo, per il suo carattere duplice, cioè militare e civile, la tecnologia spaziale ha un carattere duale.

L’Italia è all’avanguardia nello sviluppo di applicazioni duali, avendo concepito, progettato e realizzato COSMO-SkyMed (COnstellation of Small satellites for Mediterranean basin Observation), primo sistema di osservazione satellitare della Terra che permette applicazioni di monitoraggio e telerilevamento contemporaneamente per utenti civili e militari, e frutto di una proficua collaborazione tra mondo civile istituzionale e settore difesa. Nel 2007, nell’ottica di sviluppi e applicazioni duali, il Ministero dell’Università e della Ricerca e il Ministero della Difesa italiani hanno firmato un protocollo d’intesa per la collaborazione nel campo delle attività di ricerca e di sviluppo spaziali, al fine di consolidare e rafforzare le mutue relazioni di consultazione, coordinamento e collaborazione nelle attività di ricerca scientifica e tecnologica nei settori di interesse comune, condividendo in modo sinergico programmi, risorse e competenze professionali, a livello sia nazionale sia internazionale, con particolare riferimento a programmi duali.

L’attenzione posta dall’Italia sugli sviluppi dei sistemi duali riflette, in modo efficace, l’attuale tendenza mondiale di considerare sistemi già esistenti e tra loro interdipendenti nell’ottica di una loro definizione in termini di sistemi di sistemi (System of Systems, SoS), ricombinandoli e integrandoli tra loro, e per il futuro ripensandoli, in modo sinergico e in un più ampio contesto, così da farli operare per molti altri scopi con riflessi nazionali e globali. Tale tendenza si concretizza, rispettivamente a livello europeo e mondiale, nei programmi di cooperazione internazionale GMES (Global Monitoring for Environment and Security) e GEOSS (Global Earth Observation System of Systems), con cui la comunità internazionale intende scambiare, anche con utenti istituzionali (Regioni, Province, Comuni), dati provenienti da satelliti di osservazione e da sistemi di terra, per il controllo ambientale e di sicurezza. Attraverso questi sistemi si svilupperà in modo efficace e utente-centrico l’integrazione tra i dati di osservazione, di posizionamento e tessuto connettivo di telecomunicazioni.

L’Italia ha da tempo stipulato accordi bilaterali con la Francia, la nazione europea a oggi maggiormente attiva in campo spaziale, per l’osservazione della Terra e le comunicazioni, in particolare con applicazioni e tecnologie aerospaziali duali. COSMO-SkyMed fa parte del programma ORFEO (Optical and Radar Federated for Earth Observation), che permetterà di avere una capacità di osservazione congiunta italo-francese attraverso sensori satellitari duali, ottici (Pléiades) e radar (COSMO-SkyMed). Nel medio e nel lungo termine, la collaborazione italo-francese sarà estesa a livello europeo attraverso il programma MUSIS (MUltinational Space-based Imaging System), coinvolgendo anche Belgio, Germania, Grecia e Spagna. L’obiettivo di MUSIS è quello di giungere a una struttura federata multinazionale europea di osservazione, riconoscimento e sorveglianza dallo spazio, con un sistema composto da costellazioni spaziali – nazionali e internazionali – diverse, ma con un segmento di terra comune e pienamente interoperabile.

Il concetto di uso duale, anche in un ambito di collaborazione internazionale, è presente pure nei sistemi satellitari di comunicazioni. In Italia, il satellite militare SICRAL 1, lanciato nel 2001, sarà presto seguito da SICRAL 1B, con un nuovo modello contrattuale e operativo tale da permettere l’approccio duale, in modo che l’uso del satellite possa essere suddiviso tra utenti militari e civili, con applicazioni dedicate a carabinieri, guardia costiera e protezione civile, come pure di telemedicina. Ancora nell’ambito della cooperazione italo-francese, continua il programma di comunicazioni ATHENA-FIDUS (Access on THeaters for European allied forces NAtions-French Italian Dual Use Satellite). Naturale complemento di un sistema integrato di telecomunicazioni a uso duale, è un sistema di satelliti di rilancio dati (DRSS, Data Relay Satellite System) che possa operare in cooperazione con gli altri sistemi di telecomunicazioni esistenti oppure già in programma. Tale sistema permetterebbe di trasmettere a terra i dati forniti da satelliti di telerilevamento (in particolare COSMO-SkyMed e satelliti GMES) in tempi inferiori a quelli a oggi realizzabili e con maggior frequenza. L’Europa ha già investito in passato (2001) in un satellite sperimentale di questo tipo (ARTEMIS, Advanced Relay and TEchnology MIssion Satellite) progettato e realizzato prevalentemente in Italia. Il DRSS è strategico perché consente di realizzare numerose applicazioni, quali trasmissione dati da sonde remote (per es., missioni su altri pianeti), collegamenti con la stazione spaziale internazionale e con sistemi automatici di trasporto, collegamenti con velivoli senza pilota in ambiente atmosferico e spaziale UAV (Unmanned Aerial Vehicle) e USV (Unmanned Space Vehicle), e supporto a missioni lunari e marziane, con e senza equipaggio umano. Gli Stati Uniti, che già dagli anni Sessanta del 20° sec. dispongono di un ampio programma spaziale che include questo tipo di sistemi, a oggi hanno in orbita ben nove satelliti per il rilancio dati (TDRSS, Tracking and Data Relay Satellite System).

La dualità riguarda anche i sistemi di navigazione satellitare. Semplicità, precisione ed economicità d’uso hanno fatto del sistema GPS, inizialmente nato negli Stati Uniti per applicazioni militari, un sistema ormai di largo impiego civile a livello globale. Tuttavia, il fatto che il GPS sia sotto il controllo unico degli Stati Uniti ha spinto molti Stati a cercare di realizzare sistemi di navigazione autonomi e sotto il proprio controllo: in questa direzione si sono mosse l’Unione Sovietica prima e la Russia poi, cui oggi si sono affiancate con decisione Cina e India. L’Europa, dal canto suo, ha avviato, come già detto, il progetto Galileo. La navigazione, al pari del settore delle comunicazioni, è una funzione abilitante per moltissime altre applicazioni: infatti, il posizionamento dei satelliti di osservazione è reso semplice e preciso dai sistemi di navigazione, mentre le applicazioni a criticità temporale si basano sovente sull’acquisizione di un segnale di tempo distribuito via satellite. Proprio per non correre rischi legati all’infrastruttura, l’Europa ha necessità di un proprio sistema di navigazione, così da avere – in modo complementare con il GPS – controllo e gestione diretta di informazioni critiche e abilitanti per moltissime altre applicazioni, senza cui queste ultime diverrebbero enormemente più costose se non impossibili. In particolare, per quanto concerne l’approccio duale a Galileo, è previsto uno specifico servizio di navigazione, denominato PRS (Public Regulated Service), sul quale l’Italia promuoverà la ricerca applicativa, soprattutto in alcuni ambiti quali sicurezza, forze armate, protezione civile, polizia, dogane ed enti governativi.

Tra gli elementi tecnologici che concorrono allo sviluppo dei sistemi duali ci sono le piattaforme satellitari: in modo complementare e non sostitutivo dei grandi sistemi satellitari, i microsatelliti permettono di realizzare applicazioni di early warning (a livello nazionale e internazionale), ripassando spesso sullo stesso punto (bassi tempi di rivisitazione), anche se con minori prestazioni rispetto a quelle di satelliti di maggiori dimensioni.

Un’altra tecnologia emergente nel campo delle comunicazioni che può essere utilmente impiegata per le applicazioni duali è la SDR (Software Defined Radio): mentre gli apparati di comunicazione e di navigazione tradizionali sono essenzialmente realizzati con componenti hardware specifici, nella SDR le principali funzioni operative sono realizzate attraverso applicativi software denominati forme d’onda, che le rendono estremamente flessibili perché consentono la modifica delle principali caratteristiche tramite software, senza dover sostituire fisicamente gli apparati. Ciò permette di raggiungere elevati livelli di interoperabilità tra diversi utilizzatori; inoltre, l’impiego di questa tecnologia migliora la robustezza delle comunicazioni, in termini di integrità e riservatezza dei dati, con impiego duale a vantaggio di forze di difesa, protezione civile e polizia. In particolare, in applicazioni satellitari, la tecnologia SDR consente l’interoperabilità tra più costellazioni di natura diversa (comunicazioni, navigazione, osservazione) senza dover di volta in volta adottare sistemi dedicati.

Bibliografia

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