di Valerio Zingarelli

La diffusione delle connessioni a larga banda in Internet sta favorendo un nuovo paradigma di utilizzo delle reti dati: nate per trasferire informazioni numeriche fra macchine, ma ora capaci di favorire l'interazione diretta fra persone.

Il cosiddetto mercato "triple play" di telefonia, dati a banda larga e servizi televisivi sta diventando un importante asse di competizione in ogni principale mercato europeo. I progressi della capacità e costi delle tecnologie basate sul protocollo IP, insieme con una costante domanda per la banda larga, hanno dato agli Operatori di telecomunicazioni la confidenza per spingere nuovamente i programmi di evoluzione delle reti. Due recenti (e in ulteriore continuo miglioramento nel prossimo futuro) avanzamenti tecnologici nelle connessioni di "ultimo miglio" e di "ultimo metro" sostengono il nuovo paradigma "triple play":

• "Ultimo miglio": la disponibilità di DSLAM multicast, la discesa dei costi della capacità di backhauling, il miglioramento della tecnologia di compressione in grado di fornire una banda passante di diversi Mbit/s per utente collegato tramite ADSL sul doppino telefonico in rame, tariffe di ULL più economiche che rendono i "business plan" basati su ADSL più attraenti e realistici.

• "Ultimo metro": la disponibilità di "telefonini" wireless multi-standard, che cioè supportano sia il GSM (o l'UMTS) sia lo standard WiFi (IEEE 802.11 b/g), la disponibilità di "access points" radio WiFi a bassissimo costo (inferiore a 100 Euro) che possono essere acquistati e installati direttamente dal cliente (connessi tramite l'"ultimo miglio" di cui sopra), con o senza il supporto dell'Operatore di telecomunicazioni.

Tuttavia anche in questo scenario "triple play", la voce continua a svolgere un ruolo fondamentale per le reti di telecomunicazioni. Il servizio "voce" si arricchisce inoltre di una serie di funzionalità che non erano previste dai sistemi classici: l'indicazione della "presenza" in rete dei propri amici o corrispondenti, la possibilità di arricchire con contenuti multimediali (testi, immagini, suoni) la telefonata e la capacità di trasferire in pacchetti IP la voce garantendo una qualità del servizio costante per il cliente. Nel seguito dell'articolo vedremo le caratteristiche di capacità e qualità per un accesso radio a pacchetto con qualità controllata.

Le telecomunicazioni radiomobili non possono essere escluse da questi nuovi scenari: come si potrebbe oggi pensare di essere in contatto con la propria "comunità" soltanto quando si è a casa e collegati con un PC?

Di conseguenza gli Operatori radiomobili devono affrontare il tema seguendo attentamente l'evoluzione del servizio e delle tecnologie abilitanti per la realizzazione di collegamenti fonici su reti IP, tra cui nuovi "software client" sul telefonino e server di rete capaci di informare ciascun utente dello stato di collegamento dei propri amici o colleghi. Il successo stesso di questo tipo di nuovo paradigma delle comunicazioni è fortemente influenzato dalla tipologia e diffusione dei terminali, che possono estendersi dal classico telefonino all'apparato televisivo multimediale al Personal Computer di nuova generazione.

In pratica si sta delineando il nuovo termine di "Mobile VoIP".

La tecnologia radiomobile, e più in generale "wireless", attuale permette di effettuare trasmissioni di dati a pacchetto mediante GPRS (per le reti di seconda generazione) e UMTS "packet switched" (per le reti 3G), ma anche di trasportare la fonia sul protocollo WiFi.

Qui è pero' necessario un chiarimento: per quanto riguarda il GPRS vi sono alcune limitazioni che riducono la possibilità di utilizzo per la VoIP:

• la banda passante non è garantita costantemente e può indurre variazioni della qualità della voce trasmessa;

• la velocità di trasmissione dati fornita dal GPRS non permette di utilizzare codificatori della fonia di alta qualità;

• la latenza introdotta dagli elementi di rete radiomobile non permette una trasmissione continua dei pacchetti voce.

A causa di questi problemi, il GPRS è una tecnologia di rete che difficilmente può essere sfruttata in ambito voce commerciale: il suo possibile utilizzo può essere il servizio "Push-to-Talk", dove si imita il "walkie talkie" e dunque la bidirezionalità in tempo reale non è necessaria.

Trasferendo pacchetti IP sulle reti UMTS si ha il vantaggio di maggiore banda passante disponibile, capace dunque di utilizzare codificatori di fonia più adatti all'orecchio umano. Tuttavia si deve anche qui fronteggiare il problema di garantire la qualità del servizio, in particolare in aree congestionate di traffico, e dei ritardi introdotti dagli elementi di rete (per esempio, il mezzo radio trasmissivo introduce ancora 150-250 ms di ritardo). Tali ritardi di trasmissione saranno ridotti con l'introduzione di nuove funzionalità dell'UMTS quali l'HSDPA (High Speed Downlink Packet Access).

Se nel caso di GPRS e UMTS introdurre la VoIP richiede modifiche anche del sistema di commutazione delle chiamate, con le reti WiFi (che specificano solo l'accesso radio) si può accedere direttamente ai server di rete localizzati in Internet per la gestione della chiamata, lasciando quindi al fornitore del servizio, come ad esempio Yahoo, Google, Skype o Vonage, la commutazione della chiamata verso i terminali chiamati. In questo caso, però, al fine di fornire la richiesta qualità del servizio, diventa fondamentale un corretto sfruttamento delle risorse radio (frequenze e "access points") e garantire la "connessione virtuale" in protocollo IP verso il dispositivo radio. La latenza, invece, è già significativamente inferiore rispetto alle reti radiomobili pubbliche attuali.

Tutto ciò è argomento di questo articolo.

I vantaggi dello scenario di convergenza fisso-mobile nell'ambito delle reti a larga banda sono molteplici, sia per il fornitore di servizi sia per l'utente finale (cliente individuale o azienda):

• utilizzo efficiente della connessione: i servizi IP sono per loro natura "intermittenti" (bursty) e dunque adatti all'integrazione di molteplici applicazioni (voce, dati, video)

• scalabilità: le reti IP scalano in modo molto più efficiente (sulla rete fissa) che non le reti a commutazione di circuito rendendo più semplice l'adeguamento delle rete. È necessario però mantenere adeguate condizioni di qualità del servizio

• innovazione dei servizi: lo sviluppo di nuovi servizi ormai si sta focalizzando su infrastruttura di accesso IP, con protocolli SIP, o analoghi protocolli proprietari, e con logiche di servizio orientale alle reti a pacchetto. Questo paradigma renderà lo sviluppo di nuove applicazioni molto più semplice ed economico in modo da adeguarsi alle sempre più sfidanti richieste del mercato.

Il principio fondamentale consiste nel permettere ai clienti di utilizzare i servizi solitamente fruiti in un contesto domestico o aziendale "fisso" anche in ambito mobile mantenendo la "Customer Experience" a cui si è abituati; in aggiunta si propongono dei servizi peculiari dell'ambiente mobile, come l'invio e ricezione di messaggi, immagini e contenuti multimediali. Alcune considerazioni possono essere fatte a prescindere dal servizio considerato:

• il cliente che utilizza servizi di "comunità" (per esempio, chat, instant messaging) deve essere in grado di rimanere sempre connesso ("always on") anche in un contesto di mobilità. Dunque si registra nella stessa "comunità" una volta migrato dall'ambiente di rete fissa a quello wireless ("service hand-over");

• il passaggio fra sistemi deve essere "trasparente", quindi il cliente deve essere riconosciuto automaticamente in rete, eventualmente con una autenticazione basata su SIM in modo da garantire la sicurezza delle procedure di autenticazione, autorizzazione e pagamento tipiche del mondo GSM e UMTS;

• i servizi supplementari associati al cliente devono essere mantenuti, indipendentemente dal sistema su cui è erogato il servizio. In caso contrario l'aggiornamento del profilo deve essere automatico, sfruttando le capacità del terminale utilizzato e dell'applicazione residente in esso.

Alcuni esempi di servizi che possono essere trasportati in un ambiente di convergenza fisso-mobile sono:

a) Servizi di presenza: interessanti anche per il mercato di massa. Il cliente deve essere in grado, accendendo il suo dispositivo mobile, di registrarsi, autenticarsi ed aggiornare il suo stato di presenza in rete inclusi eventuali messaggi di cortesia. Da quel momento il cliente è a tutti gli effetti collegato alla "comunità" a prescindere dalla sua ubicazione fisica. All'interno della "comunità" è possibile inoltre usufruire di servizi di "Click-To-Dial" e di "Rich Call".

b) La raggiungibilità di un utente VoIP deve essere garantita a prescindere dall'architettura di rete che il chiamante sta utilizzando:

• chiamate da rete fissa: l'utente VoIP è raggiungibile attraverso il suo numero di telefono tradizionale se i fornitori del servizio fonico a circuito e pacchetto (VoIP) coincidono o se si applica la portabilità del numero; gli apparati di segnalazione a circuito si interfacciano mediante Signalling Gateway (SG) con gli analoghi a commutazione di pacchetto garantendo l'integrazione delle chiamate. Il fornitore del servizio VoIP deve comunque possedere un arco di numerazione proprio per l'interconnessione con gli altri operatori di rete fissa o per fornire un identificativo unico ai propri clienti.

• chiamate VoIP native: l'utente è identificato tramite il proprio alias SIP secondo il flusso di messaggi indicato nella figura sotto:

c) Servizi multimediali: sono un'estensione dei servizi di videotelefonia in cui si fornisce accesso a file, strumenti di lavoro condivisi, accesso a database per garantire una percezione del servizio analoga a quella ottenibile sulla LAN aziendale. Le procedure di controllo per l'instaurazione delle sessioni sono analoghe a quelle utilizzate per tutte le applicazioni su IP, mentre le importanti differenze sono sugli applicativi disponibili sui terminali: il reale fulcro per i futuri servizi convergenti.

d) Contenuti televisivi: l'utente fruisce di contenuti televisivi in cui la voce è trasferita su IP mediante protocolli di streaming, che hanno richieste di qualità del servizio meno stringenti rispetto a quelli utilizzati per le chiamate voce bidirezionali.

La sicurezza nella gestione delle sessioni è garantita dall'integrazione con le strutture di registrazione, autenticazione e tariffazione, in uso nei sistemi radiomobili attualmente presenti in campo, basati sulla carta SIM dell'utente. La cifratura delle informazioni durante la comunicazione su rete Internet è ottenuta mediante protocolli di sicurezza standard con chiavi pubbliche o private che garantiscono la privacy utente anche nel caso in cui la comunicazione attraversi reti pubbliche. Soffermandoci ora sull'infrastruttura WLAN, intrinsecamente meno sicura di quella GSM, i seguenti meccanismi possono essere applicati per garantire la confidenzialità della chiamata VoIP:

a) Autenticazione su base SIM: l'integrazione con le strutture di autenticazione utilizzate nella rete GSM è già disponibile; l'utente è autenticato sulla base delle informazioni peculiari della SIM ed attraverso questa, in modo automatico o attraverso l'invio di un SMS con Username e Password, si può garantire l'identità dell'interlocutore anche durante una chiamata VoIP o una sessione dati generica.

b) Cifratura: la gestione della cifratura a livello radio, in analogia a quello che succede in ambito GMS/GPRS o UMTS, è difficilmente applicabile in ambito WLAN, dove sono presenti differenti fornitori del servizio (WISP) e dove mancano meccanismi di certificazione e regolamentazione rispettati da tutti i fornitori. Nel caso in cui la cifratura a livello radio non sia presente si possono applicare meccanismi di cifratura sull'applicazione per mascherare le chiamate VoIP ed i dettagli di fruizione degli altri servizi:

• il SSL può essere utilizzato per rendere sicure le comunicazioni dati a livello applicativo (in analogia a quello che avviene alle sessioni HTTP che utilizzano lo standard HTTPS).

• standard di elevata sicurezza basati sullo scambio di chiavi pubbliche o private si stanno affermando per molti servizi sensibili all'intercettazione quali, ad esempio, la fruizione delle e-mail con terminali wireless; l'utilizzo di tecniche basate su 3DES o AES, già in uso in ambito dati, potranno essere utilizzate anche per rendere sicure le comunicazioni VoIP, sia sfruttando server centralizzati sia in modalità "peer-to-peer".

Riassumendo, la chiamata telefonica VoIP permette una estrema flessibilità nella propria gestione, sia in termini di contenuti aggiuntivi che di sistemi di trasporto radio o fissi. L'utilizzo di protocolli quali SIP per l'instaurazione delle chiamate e di logiche di servizio estremamente scalabili consente di effettuare hand-over di servizio da una postazione fissa ad un terminale mobile mantenendo inalterata la percezione dei servizi e la raggiungibilità dell'utente stesso in mobilità.

La capacità ottenibile in tecnologia WiFi dipende dalla tipologia di servizio che si vuole offrire e dalla Qualità del Servizio che si vuole garantire agli utenti. I fattori principali che si devono tenere in considerazione sono:

• Frequenza di utilizzo: è la frequenza a cui la tecnologia radio opera; è un fattore determinante in quanto la propagazione del segnale peggiora al crescere della frequenza.

• Canalizzazione: è il numero di canali in aria che non si sovrappongono in frequenza; è un parametro cruciale per determinare la capacità disponibile nella zona servita da un Access Point.

• Throughput della portante ("bearer data rate"); è la massima velocità trasmissiva per canale della tecnologia implementata (54 Mbit/s per802.11a,11 Mbit/s per 802.11b).

• Limitazioni per protocollo MAC di accesso: in presenza di traffico intermittente e di utenti simultaneamente connessi vi sono impatti diversi a seconda della tecnologia WiFi considerata.

• Distribuzione degli utenti: l'effettiva dislocazione degli utenti ha un impatto sulla capacità di un Access Point: all'aumentare della distanza diminuisce il bit rate allocato alla singola sessione.

• Scenario di servizio: la tipologia di traffico ha un impatto notevole sul traffico smaltito da un Access Point poiché servizi diversi producono tipologie di traffico diverse in termini di banda massima e media, numero e dimensione dei pacchetti IP trasferiti.

• Qualità del servizio: la coesistenza di servizi con differenti richieste in termini di qualità della sessione dati End-to-End ha un impatto notevole sul dimensionamento se non sono implementati meccanismi per la differenziazione del traffico a livello radio.

Nella tabella sotto sono indicati alcuni esempi di capacità ottenibili per singolo Access Point considerando i vincoli elencati sopra:

II numero delle chiamate parallele dipende anche dall'utilizzo di tecniche quali il VAD (Voice Activity Detection) che possono incrementare il numero massimo di chiamate simultanee (a parità di qualità del servizio) dal momento che il mezzo trasmissivo viene utilizzato in modo più efficiente. Nella tabella successiva, infine, è indicato il numero di chiamate simultanee al variare della qualità della comunicazione (presenza di silenzi indesiderati, interruzioni).

Le architetture di rete utilizzate per offrire servizi multimediali su infrastruttura IP sono in linea di principio dipendenti dal segmento di mercato e dalla proposizione commerciale che si intende perseguire (singoli clienti privati oppure Aziende), così come dai servizi che si intendono fornire ai clienti finali; non sarebbe possibile quindi identificare un'architettura di rete unica che soddisfi requisiti a volte estremamente differenti. Tuttavia ciò può cambiare profondamente con l'introduzione del protocollo SIP, come si vedrà nel paragrafo seguente, che permetterà inoltre di aprire il mercato dei servizi e contestualmente delle architetture per fornire logiche di servizio ad-hoc senza impattare eccessivamente sui costi delle soluzioni.

Gli elementi che entrano a fare parte delle soluzioni VoIP (o meglio ToIP - Telephony over IP) sono:

• Device e client (User Agent): sono i punti terminali delle comunicazioni ed integrano gli applicativi ed i protocolli di segnalazione; il pre-requisito è una connessione IP ed adeguati meccanismi di qualità del servizio per garantire il corretto funzionamento degli applicativi, sia di tipo wireless sia di tipo wired.

• Media Gateway (MGW): sono apparati che gestiscono il livello di trasporto, utilizzati per effettuare la trans-codifica delle informazioni di utente tra reti differenti.

• Signalling Gateway (SG): elementi per l'interoperabilità della segnalazione verso gli apparati di telecomunicazioni classici (garantiscono la corretta interazione a livello di segnalazione).

• Media Gateway Controller (MGC-Network Server): gestiscono l'attivazione/disattivazione delle sessioni IP ed il comportamento dei Media Gateway come, ad esempio, l'apertura/chiusura di sessioni IP e la richiesta della qualità del servizio.

• Application Server (AS-Network Server): mantengono le logiche del servizio che si vuole garantire; ad esempio la chiamata multipla, il Push-to-Talk oppure il Click-to-Dial.

Un esempio di chiamata VoIP uscente da rete radiomobile verso un numero di rete fissa è schematizzato all'interno della figura sotto, dove si considera uno scenario completo di sostituzione della connessione a circuito con una analoga a pacchetto fino al terminale mobile del cliente:

• il terminale ottiene un indirizzo IP mediante attivazione di un PDP context su rete radiomobile (mediante Radius per UMTS o equivalente nel paradigma wireless LAN). La qualità del servizio garantita attualmente è di tipo "best effort". In futuro, vi sarà un'integrazione standard fra i requisiti di qualità richiesta dai servizi e la loro mappatura sugli elementi di rete radio e fissa definiti dalla standardizzazione 3GPP;

• l'application client richiede allo strato di controllo della sessione (SIP client) la registrazione sui sistemi opportuni dei Server di Rete e l'instaurazione della sessione multimediale, mediante primitive di controllo messe a disposizione dal SIP client;

• i Signaling Gateway (SG) ed i Media Gateway (MGW) si occupano dell'interoperabilità e della transcodifica delle segnalazioni (SIP-SS7) e del traffico dati (da IP a PCM).

In ambito radiomobile l'integrazione potrebbe avvenire direttamente con apparati situati all'interno della rete dell'Operatore (ad esempio, MSC) mascherando completamente l'utilizzo di tali tecniche verso le reti esterne.

La logica del servizio è gestita dal client in collaborazione con i MGW controller rendendo estremamente scalabile la creazione di servizi ad-hoc; un esempio potrebbe essere l'hand-over di una sessione multimediale basata su VoIP da UMTS a WLAN (o verso una sessione di rete fissa a larga banda su ADSL o qualsiasi altro tipo di accesso) o eventualmente verso un numero di rete fissa, predefinito o richiesto di volta in volta, mantenendo unicamente la parte voce della sessione.

Una logica di servizio implementabile su un client potrebbe fare in modo di instaurare la sessione su rete Wireless LAN (da rete UMTS) non appena la copertura e l'autenticazione del terminale sono andati a buon fine (il dispositivo radiomobile ottiene l'indirizzo IP2) effettuando una nuova registrazione in rete (sul Location Server-MGC) ed aggiornando le relative tabelle di raggiungibilità/instradamento sull'ISP che fornisce il servizio. Questa tipologia di gestione del mezzo trasmissivo, mantenendo continua la componente IP ed applicativa, prende proprio il nome di "Mobile IP" e permette di sfruttare il sistema di accesso migliore a seconda della posizione del cliente senza impattare sulla propria percezione e sfruttamento del servizio: la tecnologia diventa "trasparente" al cliente!

In definitiva, la gestione della mobilità avviene sia a livello di celle (o Access Points) radio sia a livello di sistema, gestito dall'applicazione, per garantire la continuità della chiamata ed il passaggio di tecnologia in modo trasparente al cliente.

La vera intelligenza del servizio risiede quindi nei punti terminali e negli AS limitando gli sforzi implementativi sull'infrastruttura di rete.

Il Session Initiation Protocol (SIP), proposto ed approvato dal IETF (Internet Engineering Task Force) è il protocollo che si sta affermando per lo scambio di segnalazione relativo all'instaurazione di chiamate multimediali (a livello applicativo ed End-to-End) su infrastruttura di rete a pacchetto IP; la motivazione della scelta del SIP come protocollo deriva dall'approccio "leggero" (basato su una sintassi testuale simile a quella del HTTP per il Web Internet) e dalla scalabilità intrinseca dello stesso che permette di instaurare sessioni IP a livello applicativo specificando le richieste di servizio ai livelli protocollari inferiori (es. TCP/UDP). Il SIP è stato selezionato dal 3GPP (ente di standardizzazione per i sistemi radiomobili) per l'instaurazione delle chiamate multimediali fra apparati radiomobili, per chiamate VoIP punto-punto, conference call e video-conference, sessioni di chatting o condivisione di applicazioni web, Push-to-Talk, Click to Dial, ecc.

Il SIP permette di instaurare sessioni multimediali a livello applicativo mediante paradigmi generalmente di tipo Client-Server (ed anche peer-to-peer) sfruttando architetture distribuite che fanno uso dei seguenti elementi:

• User Agent (sia client sia server): si occupano di inviare e rispondere alle richieste di connessione per la creazione di sessioni multimediali. Essi sono generalmente processi applicativi che risiedono sui PC degli utenti, su terminali mobili o sui Gateway posti all'interconnessione con le reti a circuito (telefoni IP, conference server, PC, server di messaggistica, ecc.).

• Network Server (Proxy server, Redirect server, Location server): instradano le chiamate e tengono traccia di come contattare gli utenti (eventualmente possono anche fornire indicazioni sullo stato degli utenti stessi per i servizi di presenza).

• Gli utenti SIP possono essere contraddistinti da nomi logici (o indirizzi IP) e sono generalmente identificati tramite nomi simili a quelli dei domini Email (nome@dominio, dove il "nome" potrebbe anche essere la stringa rappresentante il numero di telefono dell'utente finale o l'analogo identificativo previsto dallo standard ENUM) ed i messaggi sfruttano una nomenclatura numerica come l'HTTP con una parte di intestazione ed una di corpo che può contenere la descrizione della sessione.

L'approccio utilizzato dal SIP ha permesso di superare i limiti di altri protocolli di instaurazione delle sessioni (come I'H.323 che risentiva di problemi di notazione complicata, di un limitato set di protocolli supportati e di scarsa scalabilità al di fuori del contesto IP di una LAN), incrementando però la complessità della gestione della qualità dei servizi - che viene demandata a protocolli diversi come il RSVP - e non garantendo alcun controllo degli applicativi che ne fanno uso. Il SIP infatti, a differenza dei corrispettivi protocolli di segnalazione per le reti di telecomunicazioni (Q.SIG) è basato sull'invocazione di "metodi", che aumenta la flessibilità ma anche l'intelligenza richiesta ai punti terminali, a differenza del paradigma TelCo, e la "orizzontalizzazione" degli applicativi. Questo fattore permette di aprire anche il mercato a "Terze Parti" fornitrici di servizi dal momento che il costo per lo sviluppo delle applicazioni può ridursi.

SIP, essendo uno standard intrinsecamente aperto che permette di gestire in modo flessibile nuove applicazioni, si sta affermando come il protocollo base per l'integrazione delle comunicazioni in un paradigma sempre più orientato al "sempre connesso" del terminale ed alla capacità di fornire contenuti multimediali integrati verso il cliente.

Come evidenziato in questo articolo, l'introduzione della VoIP permette di estendere le potenzialità delle reti IP, facendo convergere da un lato l'applicazione classica di comunicazione con la multimedialità, e dall'altro le reti fisse a larga banda con l'accesso wireless mobile.

Tale operazione non è tuttavia "gratuita" o trasparente per l'Operatore di telecomunicazioni mobili, in quanto occorre identificare le migliori tecnologie di trasporto dei pacchetti voce al fine di garantire la qualità del servizio: non è sufficiente la fattibilità tecnica o la dimostrazione in ambiente controllato per identificare queste tecnologie, occorre ora passare alla fase di progettazione e realizzazione secondo le tipologie dei servizi commerciali più convenienti.

L'uso dello standard WiFi, caratterizzato da velocità di trasmissione elevate e latenze basse sembra essere adatto per la Mobile VoIP, anche se è necessaria una gestione della qualità e delle priorità dei pacchetti. Con la banda larga radio del WiFi risulta possibile applicare CODEC con qualità di codifica elevata, caratterizzati da bassa distorsione della voce umana.

(Ndr: ripreso da "I quaderni di Telèma"della rivista Media Duemila-settembre 2005)