il futuro

5G, cos’è il network slicing. Dècina: “Queste le tecnologie per l’internet delle cose”

Nei prossimi vent’anni crescita esponenziale per le infrastrutture mobili. Focus su 5G, che garantisce efficienza ed efficacia su costi, tempi e flessibilità, e che dovrà gestire l’esplosione degli oggetti smart che alla fine del 2020 saranno circa 50 miliardi

22 Nov 2017
Maurizio Dècina

docente emerito Politecnico di Milano

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“Che succederà nei prossimi vent’anni?”. In occasione del ventennale del Chapter Italiano dell’International Institute of Communications, ho risposto a questa domanda presentando l’ipotesi più semplice: che l’andamento esponenziale di crescita nei vent’anni dal 1995 al 2015 si mantenga uniforme anche nei vent’anni a venire.

In particolare la fibra ottica nell’accesso offre diverse potenzialità di sviluppo. Rispetto ai 10 Gbit/s della 10GPON, la multiplazione di colore nelle fibre ottiche di accesso consentirà prestazioni attorno ai 100 Gbit/s già nei prossimi 5 anni. A partire dal 2025, la capacità trasmissiva aumenterà verso il Tbit/s.

LTE oggi funziona a 100 Mbit/s con 20 MHz di spettro. L’LTE Advanced ha circa 1 Gbit/s di capacità usando però 80 MHz di spettro. Per andare ai 10-100 Gbit/s di cui si parla per il 5G, lo spettro da impiegare è dell’ordine delle centinaia di MHz. Tuttavia le basse frequenze radio non sono adatte per offrire tale capacità spettrale. Bisogna andare su frequenze radio elevate: 20-40-80 GHz: lo spettro radio ad onde millimetriche. In conclusione, WLAN e radiomobile convergono verso l’idea rivoluzionaria delle celle di piccola dimensione, celle di 50-100 metri di copertura a elevatissima frequenza, in grado di dare capacità dell’ordine di 10 Gbit/s, fino ad arrivare ad un ipotetico Tbit/s.

 

Virtualizzazione delle funzioni di rete

La virtualizzazione delle funzioni di rete è basata sul concetto di standard hardware posto nei pop di rete e nei data center secondo tre tipologie di servizio: server, switching e storage. Tale hardware a basso costo è dotato di un sistema operativo di ipervisione che consente l’allocazione del software di controllo nel cloud, secondo il principio delle virtual machines, le Virtualized Network Functions. Il software nel cloud è coordinato da un sistema di orchestrazione che consente la perfetta centralizzazione del controllo delle risorse della rete. Il pendolo oscilla: dalla rete telefonica a instradamento centralizzato alla rete internet con instradamento distribuito, si ritorna quindi alla centralizzazione delle funzioni di instradamento.

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La virtualizzazione permette di centralizzare le funzioni di controllo della rete, e quindi consente, sia un controllo capillare delle risorse (con grandi risparmi di costo), sia la possibilità di eseguire schemi sofisticati di routing end-to-end per ciascuna transazione, con possibilità di innovazione dei servizi di trasporto offerti ai consumatori, alle imprese e alla pubblica amministrazione.

L’architettura di rete 5G è simile a quella del 4G.  La grande differenza rispetto ai sistemi 4G è l’uso estensivo dei sistemi di virtualizzazione della rete. Le infrastrutture 5G promettono una maggiore efficienza ed efficacia in termini di costi di gestione, tempi di creazione del servizio e flessibilità nell’uso dell’hardware. L’impiego diffuso di tecnologie Cloud garantisce la scalabilità e l’agilità nella gestione e creazione dei servizi.

La diapositiva mostra la tecnologia di virtualizzazione delle stazioni radio base, detta Cloud Radio Access Network, ovvero Fronthauling, secondo cui la grande maggioranza delle funzioni hardware e software preposte alla elaborazione dei segnali radio sono poste a distanza e centralizzate per un gran numero di base station (cento, mille), lasciando alle estremità della stazione radio-base l’antenna radio e il campionamento ad alta velocità, 10 Gbit/s, dei segnali fino al centro di elaborazione. Le conseguenze sono due: grandi risparmi di costo dovuti alla condivisione della elaborazione e grande flessibilità per elaborare segnali radio di tipo eterogeneo, e cioè la stazione potrà ricevere segnali radio di diverso standard (WiFi, LTE, 5G) e trattarli con flessibilità, chiamata per chiamata.

Il Fronthauling che abilita le cosiddette small cells, piccole celle, è un caso particolare delle tecniche dette di Multi-Access Edge Computing che si differiscono da quelle di Cloud Computing perché eseguite ai bordi della rete (max 10 km dalla base station).

5G e IOT

Per comprendere i requisiti di servizio dei sistemi 5G bisogna fare riferimento allo sviluppo della “Internet delle cose” (Internet of Things – IoT) che connette gli “oggetti intelligenti” (smart objects) che popolano gli ambienti che ci circondano, dalla casa alla città, fino a comprendere tutto il pianeta. Alla fine del 2020 si prevedono circa 50 miliardi di oggetti intelligenti.

I settori applicativi della IoT sono innumerevoli e possono essere classificati in due grandi cluster applicativi.

Massive IoT: le applicazioni sono caratterizzate da basso costo, basso consumo, e bassa capacità di comunicazione, nonché da un grande numero di dispositivi connessi; i settori applicativi comprendono: trasporti e logistica, ambiente, casa intelligente, città intelligente, agricoltura, ecc.

Mission Critical IoT: le applicazioni sono caratterizzate da alta affidabilità, bassa latenza e alta capacità; i settori applicativi comprendono: automotive, energia (smart grid), sanità, sicurezza, realtà aumentata, automazione della fabbrica, ecc.

La visione per lo sviluppo dei sistemi 5G è quella di una nuova generazione radiomobile cellulare che deve gestire efficacemente tre differenti tipi di traffico:

  • enhanced Multimedia BroadBand, servizi a alto throughput, per applicazioni video e di realtà aumentata
  • massive Machine Type Communications, servizi a bassa energia, per servizi di tipo massive IoT per sensori con batterie a lunga vita (15 anni)
  • Ultra Reliable Low Latency Communications, servizi a bassa latenza e alta affidabilità per servizi di tipo IoT mission critical

I sistemi 5G sono inoltre basati:

  • sulla piena virtualizzazione delle funzioni di rete,
  • sull’uso delle piccole celle per la gestione di reti radio eterogenee,
  • sull’impiego di interfacce radio multiple e
  • sullo sfruttamento dello spettro radio ad onde millimetriche.

Che cos’è il network slicing 5G e a che serve

Pertanto, la visione dei sistemi 5G è quella di una piattaforma radiomobile per la realizzazione dei numerosi “mercati verticali” abilitati dalla IoT, ciascuno dei quali presenta requisiti di servizio molto differenti in termini di capacità di trasmissione, latenza, affidabilità, ecc.:

  • Trasporti e Automobilismo,
  • Manifattura e Industria,
  • Energia,
  • Media & Entertainment,
  • Sanità e Benessere, ecc.

Si osserva che ciascun mercato verticale può richiedere la realizzazione di tutti i vari tipi di servizi 5G: ad esempio, il mercato Manifattura e Industria (Industrial IoT, Industry 4.0) richiede, sia servizi enhanced Multimedia BroadBand (uso della realtà aumentata nelle fabbriche), sia servizi massive Machine Type Communications (sensori negli impianti industriali per la manutenzione preventiva), sia servizi Ultra Reliable Low Latency Communications (controllo dei robot negli impianti industriali).

La diapositiva mostra il concetto delle 5G Network Slices (“fette” virtuali di rete 5G) elaborato per consentire la gestione dei diversi mercati.

La figura indica le risorse di rete generiche suddivise in: nodi di storage e cloud computing, posti sia nel centro che nei bordi della rete, nodi di commutazione, nodi di accesso e collegamenti trasmissivi. I nodi di accesso sono collegati con le stazioni radio base che impiegano differenti interfacce radio RAT a seconda del mercato indirizzato.

Fanno parte integrale della fetta di rete anche le risorse poste nei dispositivi terminali (sensori, smartphone, auto connesse, robot, ecc.). Tutte le varie risorse possono essere dedicate alla singola “fetta di rete”, oppure condivise tra fette di rete.

La figura mostra a titolo di esempio tre fette di rete. La prima è dedicata ai servizi mobile broadband: sono evidenziate in rosso le risorse utilizzate. La seconda fetta è dedicata al comparto automobilistico con applicazioni di connected car e autonomous driving: i terminali posti nei veicoli permettono la comunicazione D2D (device to device) oltre che la comunicazione con le infrastrutture. La terza fetta è infine dedicata ad applicazioni di massive IoT quali quelle delle smart homes/smart cities.

Il concetto di “Network Slicing” ha varie applicazioni nell’ambito dei sistemi 5G: una delle più importanti è quella della convergenza tra utenti fissi e utenti in mobilità, ambedue connessi via radio al 5G.

Inoltre, le caratteristiche innovative della rete 5G completamente virtualizzata portano alla creazione di reti aziendali, sia fisse che mobili, vere e proprie Reti Private Virtuali, con caratteristiche di instradamento e gestione delle connessioni di tipo proprietario ed eseguito in collaborazione tra carrier e imprese.

Si osserva infine che nel recente rapporto BEREC sulla Net Neutrality si fa riferimento al 5G network slicing come un possibile strumento per preservare le prestazioni di qualità della fetta di rete relativa al generico accesso dei consumatori a Internet.

Infine ecco le nuove porzioni dello spettro radio dedicate allo sviluppo dei sistemi 5G. Sono messi a confronto Europa e Stati Uniti. In Europa si parte con le frequenze a 700 MHz e quelle comprese tra 3,4 e 3,8 GHz, gli ultimi 100 MHz di questa banda (3,7-3,8 GHz) sono quelli messi a disposizione dal Governo per le sperimentazioni nelle cinque città italiane: Milano, Prato l’Aquila, Bari e Matera.

Importante poi è la banda compresa tra i 24 e i 28 GHz, vista la grande disponibilità di spettro per le applicazioni 5G: circa un GigaHz!

Infine le nuove bande dello spettro ad onde millimetriche, comprese tra i 30 e gli 80 GHz promettono applicazioni per il fronthauling e l’accesso radio con l’utilizzo di sofisticate tecniche di elaborazione. L’attenuazione da pioggia, gli assorbimenti atmosferici e gli ostacoli limitano l’uso delle onde millimetriche ai sistemi di accesso wireless per piccole celle della dimensione dell’ordine del centinaio di metri. Inoltre, le antenne trasmittenti e riceventi devono operare con fasci radio direzionali con modalità Line of Sight, in visibilità: le antenne puntano dinamicamente i fasci radio al fine di ottenere il massimo guadagno di propagazione verso i terminali. Nelle tecniche Massive MIMO molte antenne direzionali (centinaia) possono essere co-locate nella cella al fine di aumentare notevolmente la capacità trasmissiva della cella a parità di spettro utilizzato.

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