Le femtocelle – stazioni base cellulari compatte progettate per supportare un ristretto numero di utenti – si sono rivelate negli ultimi tempi come elementi di fondamentale importanza per i servizi dati wireless. Le loro potenzialità sono ancora maggiori se è vero, come ha affermato Alastair Brydon di Analysys: “Le femtocelle potrebbero trasformare l’industria delle telecomunicazioni”.
In origine le femtocelle sono state ideate come prodotto esclusivamente per uso in ambito residenziale, del tutto assimilabili ai punti di accesso WiFi. Le ragioni alla base del loro sviluppo sono la necessità di migliorare la copertura all’interno delle mura domestiche, il trasferimento del traffico dati 3G dalle reti macrocellulari sempre più congestionate e la fornitura agli operatori di reti wireless di un mezzo per combattere la minaccia rappresentata da VoIP e WiFi. Ma ben presto è apparso evidente che le potenzialità delle femtocelle erano decisamente superiori: esse possono infatti rendere disponibile i servizi convergenti richiesti dalle aziende e, grazie all’aumento dell’uso dei servizi mobili a larga banda e 4G come “hot zones” metropolitane in modo da consentire agli operatori di rendere disponibile copertura e capacità esattamente dove sono richieste; inoltre permettono la fornitura (provisioning) di copertura mobile in aree rurali dove la popolazione è sparsa su un territorio molto ampio. Sotto molti aspetti questi nuovi ruoli per le femtocelle sostituiscono le tradizionali applicazioni delle picocelle. Operatori quali Vodafone, Comcast, Sprint e Softback hanno sostenuto questa visione e hanno chiaramente evidenziato che la diffusione su larga scala delle femtocelle è ormai prossima. Ciò rappresenta un problema per alcuni Oem perché per la produzione di una femtocella è necessario prendere in considerazione vincoli e requisiti di progetto completamente differenti rispetto a quelli che i costruttori di infrastrutture di rete erano soliti affrontare.
Un approccio diverso all’infrastruttura di rete
Per la prima volta gli attori coinvolti devono prendere seriamente in considerazione il provisioning e la semplicità d’uso delle apparecchiature per l’infrastruttura di rete. Si tratta di affrontare un problema completamente nuovo in quanto coinvolge un prodotto destinato a un mercato residenziale nel quale è l’utente stesso che esegue la propria installazione. Ma questo problema riguarda anche le applicazioni messe a punto dagli operatori, come ad esempio la realizzazione di “hot zone” metropolitane e la fornitura di servizi per le imprese. La distribuzione di migliaia se non addirittura milioni di femtocelle è un’operazione estremamente onerosa dal punto di vista economico nel caso la loro configurazione richieda l’intervento di personale specializzato che deve spendere molto tempo su ogni installazione (come nel caso delle picocelle tradizionali).
Gli operatori devono essere certi che l’affidabilità sarà elevata e il costo costantemente in discesa. Tutte le femtocelle devono quindi integrare caratteristiche proprie di una rete Son (Self-Optimizing Network) in modo da ridurre drasticamente i costi di manutenzione di una rete composta da un numero elevatissimo di stazioni base. Sono altresì richieste funzionalità atte ad assicurare che ciascuna femtocella interagisca senza problemi nello spettro radio con i suoi vicini senza provocare interferenze che potrebbero disturbare la rete macrocellulare. Le femtocelle devono collegarsi in maniera semplice e scalabile alla rete core dell’operatore (cablata) e questa rete deve subire un’evoluzione tale da renderla in grado di integrarsi in maniera efficiente con un gran numero di singoli punti di accesso.
Le femtocelle devono anche includere caratteristiche di sicurezza. Quest’ultimo è un punto di fondamentale importanza. La protezione contro furti di servizi e la garanzia di sicurezza dei dati degli utenti sembrano misure ovvie, ma il problema reale è più complesso. La femtocella si collega direttamente al “cuore” della rete dell’operatore mobile: in assenza di misure di sicurezza rigorose un utente malintenzionato potrebbe accedere ad essa e lanciare un attacco capace di compromettere la funzionalità dell’intera rete cellulare. Oltre a disporre di nuove caratteristiche, gli Oem devono riconsiderare il costo capitale. Il prezzo di una stazione base per una macrocella è di solito superiore a 10.000 dollari, mentre il costo di una femtocella (anche se ancora materia di dibattito) deve essere minore di 150 dollari – e anche molto inferiore per un prodotto destinato a un mercato residenziale di massa.
Oltre alla semplicità d’uso, le fenmtocelle condividono parecchie delle caratteristiche che devono essere tenute in considerazione nello sviluppo di prodotti destinati al mercato consumer, tra cui piccole dimensioni e ridotti consumi di potenza. Le soluzioni basate su Dsp operanti a frequenze dell’ordine dei GHz che occupano parecchi centimetri quadri di silicio e dissipano oltre 10 W di potenza non sono prese in considerazione.
Femtocella su chip:
una nuova categoria di semiconduttori
Per poter integrare nuove caratteristiche e garantire costi contenuti e consumi ridotti l’unica via percorribile è una sempre maggiore integrazione sul silicio. Per soddisfare queste esigenze i produttori di chip in banda base wireless hanno iniziato a rendere disponibile una nuova categoria di dispositivi a semiconduttore – la femtocella su chip singolo. I prodotti più avanzati sono stati realizzati per applicazioni Wcdma, dove sono disponibili prodotti come ad esempio PC302 di picoChip. Poiché gli standard Cdma2000 e Wcdma sono già ampiamente diffusi, molte applicazioni delle femtocelle basate su questi standard saranno stazioni base domestiche. Per contro, gli standard di più recente introduzione come TD-Scdma (diffuso soprattutto in Cina) e i futuri sviluppi come Lte prevedono l’inclusione delle femtocelle fin dall’inizio, come elementi intrinseci della rete dell’operatore. Di conseguenza il mercato Wcdma – anche in considerazione del fatto che si tratta di uno standard maturo e ampiamente diffuso in tutto il mondo - tende sempre più alla “consumerizzazione”. Ciò significa che un dispositivo come PC302 deve consentire agli Oem di realizzare una femtocella come se si trattasse di un prodotto consumer già pronto all’uso. L’adozione di un processo di fabbricazione avanzato è dunque un elemento critico – PC302 è realizzato con un processo da 65 nm – e, oltre al modem per il NodeB 3GPP, il progetto deve includere il supporto per numerose funzionalità quali l’auto-configurazione e l’auto-ottimizzazione, l’integrazione nella rete core, il controllo della rete radio e la sicurezza. Quando appena esposto non è un elenco di funzionalità che sarebbe desiderabile integrare. Poiché l’uso di femtocelle presenta difficoltà pratiche di considerevole entità, le caratteristiche appena sopra elencate non sono opzionali. Fortunatamente il gruppo 3Gpp ha preso in considerazione queste problematiche fin dall’inizio e ha fatto considerevoli progressi nella definizione della modalità di risoluzione. Tali requisiti sono ora integrati nella release 8.
Oltre al radicale cambiamento culturale imputabile alla consumerizzazione, un altro elemento di rottura è rappresentato dal progressivo allontanamento dalle modalità classiche di realizzare una rete, nella quale la diffusione delle stazioni base avviene in maniera attentamente pianificata e coordinata. Ovviamente ciò non si verifica con le femtocelle e questa è la causa delle modifiche e dell’aggiunta di nuove caratteristiche agli standard.
La configurazione e la pianificazione delle architetture di reti tradizionali erano operazioni condotte manualmente. Nel caso di reti Gsm ciò comportava una complessa pianificazione delle frequenze mentre i sistemi basati su Wcdma richiedono l’allocazione di codi di scrambling unici. In una stazione base tradizionale è necessario impostare la potenza di trasmissione nel momento in cui il nodo è aggiunto alla rete ed effettuare la regolazione su base costante.
La femtocella ad auto-configurazione deve eseguire tutti questi compiti per se stessa in maniera automatica: l’implementazione di tali funzioni rappresenta uno dei maggiori oneri dal punto di vista progettuale. Per fare ciò il progettista di sistema deve avere accesso alle informazioni inerenti l’ambiente radio circostante ed è appunto tale necessità che fa sì che l’implementazione di una femtocella single chip supporti i principi della rete Son.
Per tale motivo un dispositivo come PC302 dispone di funzioni di “sniffer” o “network listen” (in pratica la possibilità di raccogliere informazioni). Quando è alimentata per la prima volta, la femtocella si configura come un terminale (UE – User equipment nel gergo 3Gpp) al fine di scoprire quali altri siti cellulari si trovano nelle vicinanze. Essa è inoltre in grado di scegliere non solo uno schema di codifica appropriato e il livello di potenza radio, ma dispone anche delle informazioni necessarie per semplificare l’hand-over (ovvero la capacità di passare dalla zona di copertura di una cellula della rete a una zona di una cellula contigua) tra se stessa e le celle adiacenti. Quando l’utente si sposta all’interno e all’esterno di un range di una rete mista 2G/3G, la femtocella 3G può anche eseguire l’hand-off (ovvero il trasferimento della chiamata) alla stazione base Gsm adiacente. Oltre alla configurazione iniziale, talvolta chiamata “zero-touch provisioning” (fornitura del servizio), la funzionalità di sniffer consente alla femtocella di adattarsi alle variazioni in corso nell’ambiente radio, per esempio regolando i livelli di potenza quando altre femtocelle si presentano sulla rete.
Le architetture di rete
L’avvento delle femtocelle ha implicazioni anche sull’architettura di rete complessiva. Le reti Wcdma tradizionali includono una stazione base (NodeB) che si interfaccia con un Rnc (Radio Network Controller) e quindi comunica con la rete core. L’interfaccia tra il nodo B e l’Rnc è rappresentata dall’interfaccia Iub definita da 3Gpp (TS 25.434) sfruttando costose linee in affitto dedicate.
L’inclusione di femtocelle in una simile configurazione presenta un certo numero di problemi dal punto di vista dell’architettura. Gli Rnc esistenti non sono progettati per collegarsi con il gran numero di nodeB coinvolti in reti cellulari di piccole dimensioni. Sebbene standardizzate dal punto di vista teorico, parecchie interfacce Iub integrano elementi di tipo proprietario. Le linee dedicate non sono certamente adatte per un mercato di massa, ma le architetture di tipo tradizionale non sono adatte alla natura asimmetrica dei collegamenti a larga banda destinati al mercato di massa. Forse l’aspetto più importante è il fatto che parecchie delle funzioni di controllo radio fornite oggigiorno dall’Rnc – per esempio decidere quale canale radio utilizzare o la schedulazione dei pacchetti – devono essere fornite localmente nella stessa femtocella. In un Fap (Femtocell Access Point) ciò si ottiene trasferendo la maggior parte delle funzioni dell’Rnc e il controller nel nodeB stesso. La femtocella quindi non deve solamente supportare l’interfaccia radio (air interface), ma anche il controllo delle risorse radio, la cifratura del piano utente (User Plane) e il procotollo Pdcp (Packet Data Convergence Protocol). Per questa ragione un SoC che implementa una femtocella, come appunto PC302, deve essere molto di più di una semplice versione integrata e ottimizzata dal punto di vista dei costi del livello fisico Wcdma del nodo B. Esso deve integrare una considerevole potenza di elaborazione oltre ad acceleratori per consentire l’esecuzione dello funzioni dello stack Rnc. La potenza di elaborazione deve essere una miscela equilibrata di capacità di elaborazione del segnale – per il livello fisico – e di elaborazione delle funzioni della rete e del piano di controllo per lo stack. Per soddisfare queste esigenze PC302 include funzioni di elaborazione del livello fisico e un sottosistema ARM 11 il cui compito è l’esecuzione dello stack e la gestione delle funzioni di provisioning e di sicurezza. La femtocella quindi si connette a un gateway dedicato o Fgw (Femtocell Gateway) nella rete core che è progettato per gestire un numero molto elevato di punti di accesso. Questa interfaccia è stata progettata per supportare i requisiti di sicurezza, provisioning e di rete e utilizza un protocollo espressamente definito da Femto Forum e 3GPP denominato IuH (la versione “domestica” dell’interfaccia Iu esistente che connette l’Rnc alla rete core).
Il problema della sicurezza
A causa della modifica delle modalità di partizionamento dei vari compiti nella rete, il chip che implementa la femtocella deve garantire risorse di sicurezza avanzate per l’autenticazione, l’identificazione della locazione, la cifratura e la prevenzione di attacchi DoS. Oltre ai protocolli Ipsec (IP Security) e Secure Real-time Transport Protocol, è necessario disporre delle risorse necessarie ad accelerare l’algoritmo di Kasumi (anche noto come A5/3), il sistema di cifratura a blocchi (block ciphering) di 3Gpp utilizzato per garantire riservatezza e integrità: allo scopo PC302 dispone di appositi acceleratori hardware. A causa dell’importanza che riveste l’aspetto sicurezza, anche il dispositivo in banda base necessita di un’adeguata protezione. L’impiego di una tecnologia come Arm TrustZone garantisce la possibilità di effettuare transazioni medianti chiavi di sicurezza e certificate e di autenticare i processi software. Le chiavi Otp (One Time Programmable) all’interno del dispositivo possono essere impiegate per abilitare un boot cifrato e per l’espletamento di altre funzioni di autenticazione.
Oltre a minimizzare il costo del dispositivo in banda base, è anche necessario semplificare e ottimizzare il costo del sottosistema radio. Un’interfaccia di tipo “glueless” tra la radio e il chip in banda base elimina il ricorso a componenti esterni (solitamente un Fpga) per realizzare funzioni quali interpolazione e filtraggio di decimazione. PC302, ad esempio, integra un’interfaccia estremamente flessibile che supporta interfacce sia Lvds sia parallele, consentendo un collegamento diretto con componenti radio come i dispositivi MAX2547 e MAX2599 di Maxim così come con l’interfaccia tra il dispositivo in bandabase e la radio prossimamente definita da Femto Forum. Nel caso di PC302 il percorso di trasmissione nell’interfaccia RF prevede il filtraggio per produrre la modellazione spettrale (spectral shaping) richiesta da TS25.104. La potenza trasmessa è controllata da un anello di controllo della potenza a bassa latenza. Anche nel percorso di ricezione è prevista una funzione di filtraggio per fornire la modellazione spettrale appropriata e contribuire a bloccare l’interferenza da canale adiacente. E pure disponibile una funzione per il controllo automatico del guadagno. Un elemento che un progettista deve tenere nella massima considerazione è il supporto, da parte dei componenti radio, della funzionalità di sniffer per lo standard 2G e 3G, in modo da consentire l’implementazione di funzionalità di auto-organizzazione. Un nuovo requisito è la capacità di fornire un’accurata sincronizzazione tra le femtocelle e il resto della rete per attenuare le interferenze radio, semplificare le procedure di hand-over e assicurare la qualità del servizio.
Problematiche di sincronizzazione
Una femtocella realizzata su un SoC deve anche permettere l’eliminazione delle problematiche – in termini di costi, dissipazione di potenza e complessità – imputabili al ricorso dei tradizionali componenti di sincronizzazione (oscillatori al rubidio, quarzi stabilizzati e dispositivi simili). Le soluzioni comunemente adottate sfruttano le tecniche di temporizzazione basate sui protocolli di sincronizzazione: il protocollo Ptp (Precision Time Protocol) specificato all’interno di Ieee 1588 o il protocollo Ntp (Network Time Protocol) impiegato per la comunicazione Internet. Entrambi questi protocolli richiedono un supporto hardware in silicio, ad esempio per time stamping. Una valida alternativa è rappresentata dall’uso del Gps, il quale è in grado di fornire dati relativi alla temporizzazione e alla localizzazione, che possono essere obbligatori per ragioni normative. È opinione comune ritenere che il Gps non funzioni in casa ma, grazie alla combinazione tra sistemi di tipo A-Gps (Assisted Gps), nuovi progetti e variazione dei requisiti e quindi dell’architettura, è possibile aumentare sensibilmente la sensibilità in modo da consentire l’uso all’interno delle pareti domestiche. Un’altra priorità per i progettisti è la massima flessibilità per quel che riguarda la sorgente del clock – per esempio i segnali di clock per PC302 possono essere generati da un oscillatore controllato numericamente presente a bordo o da un oscillatore controllato in tensione esterni gestiti dal convertitore D/A sigma delta ospitato sul chip. Poiché gli operatori spingono per una rapida diffusione delle femtocelle, i fornitori di tecnologia hanno ora la possibilità di individuare con maggior chiarezza la tipologia di problematiche che devono affrontare nella realizzazione di questa nuova generazione di prodotti per le infrastrutture di rete. La disponibilità a breve di soluzioni in banda base integrate, affidabili e di elevata qualità possono rappresentare un valido ausilio per i produttori. Essi, peraltro, devono modificare il loro atteggiamento mentale e adottare le consuetudini dei costruttori di prodotti consumer. Facilità d’uso, basso costo e consumi ridotti di potenza sono alcuni degli attributi richiesti per poter entrare in mercati di questo tipo. Inun futuro non molto lontano sarà necessario prendere in considerazione gli altri fattori che solitamente accompagnano la sempre più spinta integrazione su silicio, come ad esempio costante riduzione del time-to-market, una più marcata differenziazione del prodotto e una competitività sempre maggiore sul fronte dei prezzi.
