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il quadro

5G, ecco le tecnologie pilastro: tutto ciò che c’è da sapere

Il grande interesse nei confronti della nuova tecnologa ha portato il 3GPP ad anticipare un rilascio preliminare dello standard per il prossimo dicembre. Una delle sfide per gli operatori sarà riuscire a gestire l’enorme mole di traffico generato dalle nuove applicazioni senza impatti significativi sui costi

11 Ott 2017

Andrea Lasagna, Head of Network Engineering di Fastweb


La definizione dello standard 5G è prevista solo per  la fine del 2019, nonostante le informazioni e lo scambio di opinioni tra centri di ricerca, operatori e vendor di tutto il mondo riguardo alle caratteristiche radio, le frequenze, le tecnologie abilitanti e l’architettura della nuova infrastruttura di rete siano in circolo già da qualche anno.

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Lo standard 5g

Il grande interesse da parte del mercato nei confronti della nuova tecnologa e dei servizi che essa sarà in grado di abilitare hanno portato il 3GPP ad anticipare un rilascio preliminare dello standard (Release 15 Early Drop), pianificato per dicembre 2017, che si focalizzerà sul nuovo accesso radio 5G (New Radio), oltre che sulle evoluzioni dell’accesso radio 4G, secondo un modello (Non Standalone NR) in cui i terminali utilizzeranno ancora la rete LTE per gestire la segnalazione e la mobilità, mentre i dati viaggeranno sulla nuova interfaccia (NR).

La scadenza del piano lavori 3GPP prevede un successivo rilascio a giugno 2018 (Release 15), che vedrà l’introduzione della NR in modalità standalone, dove segnalazione, controllo e dati viaggeranno insieme sulla NR connessa alla nuova core network 5G. Questa fase includerà anche l’abilitazione dei servizi eMBB (enhanced Mobile BroadBand). La fase finale è rappresentata dalla Release 16, che terminerà a dicembre 2019 e che dovrà soddisfare tutti i requisiti ITU, inclusa l’introduzione delle altre due categorie di servizi di nuova generazione: mMTC (massive Machine Type Communication) e uRLLC (ultra Reliable and Low Latency Communications).

La tecnologia 5G non si limiterà ad essere un’evoluzione lineare della rete mobile LTE, con nuovi sistemi di accesso e core, maggiore banda, migliori prestazioni e consumi ridotti. Piuttosto, si preannuncia come una piattaforma innovativa di rete trasparente nell’accesso ultra-broadband fisso e mobile, in grado di abilitare servizi con requisiti eterogenei. Il sistema dovrà soddisfare requisiti molto stringenti in termini di:

  • latenza (anche minore di 1ms)
  • throughput (10-20 Gbps di picco)
  • affidabilità (99.9999%)
  • densità di connettività (fino a 1 milione di dispositivi per Km 2)
  • velocità (fino a 500 Km/h)
  • efficienza spettrale (30 bit/s/Hz)A differenza delle precedenti architetture di rete mobile, il 5G non sarà messo in funzione su bande specifiche, ma dovrà supportare la connettività sull’intero spettro di frequenze, per abilitare servizi con requisiti molto diversi tra loro, come mostrato nella figura seguente.
  • velocità (fino a 500 Km/h)
  • efficienza spettrale (30 bit/s/Hz)

A differenza delle precedenti architetture di rete mobile, il 5G non sarà messo in funzione su bande specifiche, ma dovrà supportare la connettività sull’intero spettro di frequenze, per abilitare servizi con requisiti molto diversi tra loro, come mostrato nella figura seguente.

Le bande sotto il GHz supportano, infatti, coperture ampie e sono meno sensibili alla propagazione attraverso gli ostacoli o in condizioni meteorologiche avverse, tuttavia presentano porzioni di spettro libere ridotte: possono quindi abilitare servizi IoT, in cui non si richiede alta capacità.

All’aumentare della frequenza si riduce, invece, la capacità di copertura, ma aumenta la banda disponibile, portando all’abilitazione di servizi ultra-high broadband.

Le tecnologie fondamentali del 5g

I pilastri fondamentali su cui sarà sviluppata la nuova architettura end-to-end saranno tecnologie di rete innovative, volte a soddisfare requisiti di flessibilità, dinamicità e programmabilità. In particolare:

  1. SDN (Software Defined Network), in cui viene effettuata la separazione del piano utente e del piano di controllo, per una maggior efficienza nei dispiegamenti e nella fornitura dei servizi;
  2. NFV (Network Function Virtualization), in cui le funzionalità di rete non sono più allocate su hardware dedicato ma su porzioni di software che possono essere eseguite da server standard, in modo da abilitare dispiegamenti dinamici e flessibili, che traguardino la virtualizzazione della rete core e dell’accesso;
  3. SON (Self Organizing Networks), per la gestione automatizzata e flessibile delle reti di accesso radio;
  4. Network Slicing, in cui un’unica rete fisica può essere divisa in “slice”, ovvero reti virtuali, ognuna ottimizzata per una particolare categoria di servizi, per una gestione flessibile e dedicata degli stessi.

Componente fondamentale sarà la funzionalità di orchestrazione di rete, per la gestione automatizzata delle capacità di rete, delle applicazioni e dei servizi, ma anche per le attività di provisioning, administration e maintenance, garantendo l’ottimizzazione delle risorse disponibili, la semplificazione dei processi e la riduzione dei costi di operation.

Per poter soddisfare i requisiti sempre più stringenti dell’accesso radio dettati dal nuovo sistema 5G (throughput, latenza, affidabilità, densità di connessioni, mobilità), bisognerà valutare attentamente l’ubicazione delle funzionalità di rete remotizzate e virtualizzate, dei sistemi di controllo e gestione e dei contenuti applicativi. Sfruttando l’abilitatore tecnologico del network slicing sarà possibile dispiegare un’architettura modulare e flessibile per soddisfare differenti categorie di Use Case, ognuno dei quali con specifici requisiti prestazionali, configurando le funzionalità di rete in modo mirato ed ottimizzato.

In particolare, si potrà prevedere un primo livello di gestione a slice, in grado di operare una differenziazione relativa alle tre macro-categorie di Use Case, mMTC, eMBB e uRLLC. La relativa rappresentazione architetturale è mostrata nella figura seguente.

Nel caso di servizi di tipo mMTC, si prevede un elevato numero di dispositivi dispiegati in una certa area geografica, con requisiti stringenti in termini di elevata durata della batteria ed elevata copertura, ma generalmente statici o nomadici. Caratteristica predominante di questa categoria è l’elevato numero di messaggi di segnalazione di controllo dovuta alla numerosità dei dispositivi, mentre in genere non sono richiesti requisiti stringenti in termini di banda e latenza. Per tale motivo, questa slice può essere realizzata concentrando nella parte alta della rete le funzionalità di control plane, di user plane, la gestione del sottoscrittore e le funzionalità di accesso radio, secondo l’approccio vRAN (virtual RAN): le funzionalità radio di livello alto (BBUc – BaseBand Unit centralizzata) vengono centralizzate in prossimità della core network, alla quale sono connesse mediante la rete di backhauling in fibra. Il rilegamento con le funzionalità di livello basso del nodo d’accesso radio (BBUr – BBU remote) è realizzato mediante la rete in fibra, che prende il nome di midhauling. Le BBUr possono essere a loro volta collegate alle antenne o alle unità a radio frequenza (RRU – Remote Radio Unit) attraverso collegamenti in fibra di fronthauling.

La famiglia di servizi di tipo URLLC prevede requisiti stringenti in termini di latenza, affidabilità, disponibilità, robustezza, resilienza e sicurezza. Dal punto di vista architetturale, la riduzione della latenza potrà essere garantita implementando la parte di processing applicativo in prossimità dell’utente. La separazione del piano di utente e quello di controllo ha anche qui un ruolo fondamentale, permettendo la riduzione delle latenze e una gestione flessibile per soddisfare le esigenze di controllo e di sicurezza specifiche di ogni Use Case.

Nel caso di servizi di tipo eMBB, la caratteristica principale è quella di fornire accessi ultra broadband sul mobile. In questo caso si richiede un’elevata velocità di picco per utente e, quindi, un’alta capacità di dati da gestire sul piano d’utente. Si prevede la centralizzazione delle funzionalità di core network nella parte alta di rete, con la separazione tra il piano di controllo e quello di utente, per permettere di gestire in modo rapido, mirato e dinamico la segnalazione necessaria all’attivazione della grande mole di dati. In alcuni scenari, specie per applicazioni di tipo multimedia, potrà essere sfruttata la funzionalità di caching in prossimità dell’utente. Al fine di aumentare la capacità fornita al servizio, potranno essere inoltre sfruttate, oltre alle ampie porzioni di spettro aperte dalle frequenze più elevate, anche tecnologie come il Massive MIMO, il beamforming adattativo e modulazioni radio ad alta cardinalità.

Il massive MIMO prevede un elevato numero di elementi radianti alla Base Station, in grado di incrementare la capacità rispetto ai sistemi tradizionali e aggiungendo un migliore sfruttamento dello spettro a disposizione, con aumento anche della copertura. Questa tecnologia, utilizzando il multi-user 3D beamforming, sarà in grado di servire decine di utenti in contemporanea, ognuno con un beam dedicato, in grado di massimizzare la copertura durante il movimento, sia sul piano orizzontale che su quello verticale.

Il Network Slicing descritto in precedenza non si presta solo a creare una rete multi-servizio, ma anche una rete multi-operatore. Più operatori potranno, infatti, condividere la stessa infrastruttura di rete fisica, su cui operare la propria slice di rete virtuale. Questa architettura aprirà nuovi modelli di business per gli operatori, che potranno condividere i costi di rete, tramite meccanismi di RAN sharing e spectrum sharing, o fornire servizi come “network platform as a service” o “network infrastructure as a service”.

Con l’avvento del 5G, una delle sfide principali per gli operatori sarà riuscire a gestire l’enorme mole di traffico generato dalle nuove applicazioni senza impatti significativi su costi operativi e infrastrutturali. Si stima, infatti, che il 50% dei siti di accesso radio portino meno del 10% dei ricavi. Appare, quindi, evidente che gli operatori dovranno riuscire a svincolarsi dai modelli tradizionali di ownership dell’infrastruttura mobile e esplorare nuove fonti di ricavo. I nuovi modelli potranno spaziare dalla condivisione della RAN, con core network separate, da più RAN che condividono la stessa core network, ad un modello di condivisione al 100%, in cui RAN, core network e spettro possano essere risorse condivise e allocate dinamicamente agli operatori in base alle necessità.

Tramite il Network slicing ogni operatore potrà, infatti, utilizzare istanze dedicate della stessa core network, con supporto di più slice per operatore in modo da garantire il multi-servizio. Le soluzioni di resource sharing della RAN saranno basate su meccanismi evoluti di gestione dinamica delle risorse radio, in grado di riservare ai vari operatori porzioni differenti di risorse in funzione degli use case attivati nella stessa area. Anche nel caso di spectrum sharing avremo lo stesso meccanismo: non si parlerà di una divisione in frequenza dello spettro disponibile tra gli operatori interessati, ma sarà resa possibile una vera e propria condivisione del 100% dello spettro a disposizione in maniera dinamica, in base alle necessità che emergeranno di volta in volta. Si potrà pensare a una condivisione parziale dello spettro di proprietà di un MNO, che, dinamicamente, potrà allocare le porzioni di banda rimaste inutilizzate in un dato momento ad altri operatori, oppure si potrà realizzare una condivisione completa dello spettro, che verrà assegnato on-demand ai vari operatori secondo le necessità.

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Le strategie Fastweb e Tiscali

In questo contesto, la strategia di Fastweb continua ad essere quella di essere il miglior operatore infrastrutturato in una nuova ottica di “convergenza”, nella quale gli asset tradizionali – la fibra e le altre infrastrutture della rete fissa – saranno utilizzate per sviluppare anche la rete mobile di quinta generazione.

Grazie all’accordo industriale stipulato con Tiscali nel dicembre 2016 e la possibilità di utilizzare, nelle principali aree urbane italiane, le frequenze in banda 3.5 GHz, Fastweb sarà in grado di dispiegare una rete di accesso radiomobile 5G completamente integrata con la propria rete fissa in fibra ottica e mobile.

Per lo sviluppo di tale rete, Fastweb adotterà soluzioni innovative sulla base di un approccio eterogeneo, che faccia leva su un deployment massivo di Small Cell, il quale permetterà di realizzare il layer capacitivo della futura infrastruttura mobile, sull’installazione di macro celle Massive MIMO, che potranno garantire un’ampia copertura geografica, e sull’impiego della tecnologia Wi-Fi, allo scopo di realizzare l’offload della rete di accesso mobile sull’infrastruttura di rete fissa.

Il piano di sviluppo della rete di accesso prevedrà l’accostamento della tecnologia 5G con Wi-Fi, anche sfruttando le tecnologie LWA e LAA. Più nel dettaglio, i clienti Fastweb potranno usufruire del servizio WOW FI, che consente di sfruttare la capacità inutilizzata del Wi-Fi domestico per fornire connettività agli appartenenti alla Community che si trovano in prossimità di un access point. Ad oggi il WOW FI è disponibile in oltre 800 comuni italiani e il piano di potenziamento del servizio prevede l’estensione dello stesso ad altre municipalità.

Grazie a questo approccio innovativo e alle sinergie realizzabili con le infrastrutture realizzate per la rete FTTC e FTTH – la rete di accesso in fibra ottica di Fastweb attualmente raggiunge circa il 30% della popolazione italiana, e il 50% entro il 2020 – Fastweb avrà la possibilità, dunque, di sviluppare con estrema rapidità una infrastruttura  proprietaria di accesso mobile di nuova generazione, giocando un ruolo da protagonista nello sviluppo di questa rete convergente.

Ed è proprio in un’ottica di accelerazione della realizzazione di queste nuove reti che la strategia di assegnazione delle frequenze per il 5G in Italia dovrebbe puntare ad una massima apertura del mercato, facilitando l’ingresso di nuovi soggetti così da stimolare la creazione di un ecosistema nazionale che metta insieme il mondo degli operatori con il mondo delle aziende e dell’industria e secondo logiche che spingano verso la condivisione delle reti di quinta generazione tra diversi operatori, industrie e mercati.

Se lo sviluppo delle applicazioni basate sulle reti 5G sarà in linea con le aspettative, sarà necessaria un’estrema ottimizzazione dell’uso delle risorse frequenziali per massimizzare l’utilità sociale ed economica dei nuovi servizi che potranno essere sviluppati grazie alle caratteristiche del 5G. Pertanto logiche di condivisione delle frequenze saranno indispensabili per poter accogliere la domanda e le necessità di tutti.  

Sperimentazioni 5g

Al fine di verificare in campo le potenzialità dei sistemi di nuova generazione e al fine di valutare i processi di dispiegamento e rollout della rete di accesso, Fastweb ha già iniziato a muoversi sul piano delle sperimentazioni volte al 5G.

Fastweb ha acceso per la prima volta la propria frequenza a luglio, in collaborazione con Huawei, installando il primo sito massive MIMO 64T64R in Europa in banda 42, utilizzato per dimostrare applicazioni come una videoconferenza 4K e la realtà virtuale. Il trial ha permesso di verificare le potenzialità di questa tecnologia, con la quale sono stati raggiunti 650 Mbps a livello di cella con 20 MHz in banda 42 (throughput paragonabile a quello raggiungibile con 100 MHz di spettro tramite tecnologia tradizionale), coprendo 16 utenti, e con la quale si è dimostrato un notevole aumento di copertura portando la frequenza 3.5GHz ad eguagliare la copertura data da celle tradizionali nella frequenza 1.8 GHz, quella più diffusa sulle reti LTE. Sono inoltre state testate le potenzialità della tecnica di Carrier Aggregation: aggregando i 40 MHz in banda 42 a disposizione di Fastweb con altri 20 MHz in banda 42 e 10 MHz in banda 38 assegnati dal MISE per le sperimentazioni, per un totale di 70 MHz, sono stati raggiunti 700 Mbps a livello utente. Sono state, infine, testate alcune funzionalità dello scenario HetNet, ovvero la rete eterogenea caratterizzante del 5G, in cui al livello macro sarà sovrapposto un livello di small cell per estenderne la copertura e aumentarne la capacità.

Fastweb si è, inoltre, aggiudicata, insieme a TIM e Huawei, 100 MHz di spettro in banda 43 per le prime sperimentazioni 5G a Bari e Matera. Il progetto con cui le tre capofila si sono aggiudicate la vittoria del bando, in collaborazione con oltre 50 partner internazionali e nazionali, tra cui centri di ricerca di eccellenza, aziende primarie del settore ICT e imprese operanti in mercati a forte impatto economico e sociale, ha l’obiettivo di dimostrare le potenzialità della nuova rete 5G, soprattutto in termini di servizi che essa sarà in grado di abilitare, in anticipo rispetto alle tempistiche dell’Action Plan 5G della Commissione Europea.

Le prime applicazioni saranno, infatti, attivate entro giugno 2018, e si prevede di raggiungere il 75% della copertura 5G della popolazione di Bari e Matera entro il mese di dicembre 2018, e il 100% delle due città entro il dicembre 2019.

Nell’arco dei quattro anni della sperimentazione si punterà a valorizzare e dimostrare la superiorità delle performance delle reti 5G, che permette di amplificare ulteriormente le capacità e caratteristiche del LTE sfruttando le evoluzioni tecnologiche per farlo evolvere e di aumentare ancora di più il range dei servizi più critici, di cui sono riportati alcuni esempi nella tabella successiva

La sperimentazione punta a costituire una piattaforma digitale aperta, in grado di accogliere iniziative di altri soggetti (pubbliche amministrazioni, partner tecnologici ed industriali), per lo sviluppo di servizi e applicazioni supportate dalla rete 5G che arricchiscano l’ecosistema digitale delle città di Matera e Bari, cogliendone le priorità strategiche di sviluppo e trasformandole in un laboratorio di innovazione digitale. Gli ambiti di intervento proposti riguardano le frontiere più innovative della vita digitale dei prossimi anni: smart city, public safety, monitoraggio ambientale, industry 4.0, sanità 5G, ma anche media education e realtà virtuale, automotive, mobilità e sicurezza stradale e, inoltre, per valorizzare ulteriormente le peculiarità dei territori si punterà sulla logistica, sulla cultura e il turismo e sulla smart agricolture.

Fastweb ha, inoltre, siglato con Roma un Protocollo di Intesa per l’avvio di sperimentazioni basate su tecnologie 5G e Wi-Fi, per lo sviluppo di servizi di ultima generazione da realizzare entro la fine del 2020 in alcune aree del territorio comunale. Con la sottoscrizione del Protocollo, si prevede una cooperazione tra la capitale e Fastweb per la definizione di progetti di sperimentazione, a partire dal 2018, nell’ambito delle applicazioni digitali per la smart city e dell’IoT. Anche in questo caso l’obiettivo sarà la costruzione di una piattaforma in grado di supportare servizi e applicazioni nei settori della mobilità intelligente, della sensoristica, dell’industria 4.0, del turismo e della videosorveglianza, con l’obiettivo di arricchire l’ecosistema digitale della città.

Parallelamente a queste prime sperimentazioni, Fastweb si sta muovendo anche per utilizzare la propria frequenza per abilitare i nuovi servizi a favore di clienti business.

I benefici dati dai nuovi servizi, che saranno abilitati dalle reti 5G, saranno infatti rivolti sia alla cittadinanza, sia a clienti enterprise.

Le innovazioni introdotte dagli scenari in ottica smart city comporteranno sia benefici sociali legati al miglioramento della qualità della vita dei cittadini e la preservazione dell’ambiente, che ritorni economici legati all’efficientamento delle infrastrutture e dei servizi urbani. Le nuove applicazioni permetteranno anche di valorizzare il patrimonio artistico e culturale delle cittadinanze, oltre che la loro preservazione. Inoltre, si potranno avere benefici per la mobilità e il traffico, oltre ad aumentare la sicurezza stradale.

Nell’ambito della sicurezza pubblica, verranno sviluppati nuovi servizi di radiocomunicazione, basati sia su smartphone, sia su smart wearable in dotazione alle forze dell’ordino o ai cittadini, su droni e telecamere per la sorveglianza, in grado di garantire comunicazioni sicure ed affidabili alle forze dell’ordine, ai corpi militari, ai gestori di servizi di emergenza, nonché alle organizzazioni di sicurezza privata, senza tralasciare la comunicazione verso cittadini e la gestione di sensori.

In ambito e-Health saranno interconnesse in maniera pervasiva le strutture sanitarie, medici, pazienti e il personale sanitario, allo scopo di incrementare l’efficienza e l’efficacia del sistema sanitario, aumentando la deospedalizzazione dei pazienti che potranno essere seguiti e monitorati da remoto, abilitando nuovi servizi e innalzando complessivamente il livello di assistenza erogato. Invece, In ambito enterprise, sicuramente le applicazioni di maggiore interesse saranno quelle legate al concetto di Industry 4.0, che prospetta la trasformazione dell’intera sfera produttiva attraverso la convergenza delle tecnologie digitali e di internet con l’industria tradizionale, fondendo l’Operational Technology (OT) e la Information Technology (IT) in un sistema comune che consenta la completa digitalizzazione dei processi aziendali e di produzione. Tale cambiamento coinvolgerà la progettazione, la produzione, la conduzione degli impianti e i processi di manutenzione degli stessi, aumentando l’efficienza della produzione, favorendo la semplificazione del lavoro dei dipendenti con nuova strumentazione avanzata, oltre a portare, in alcuni casi, tramite la riduzione degli sprechi e l’ottimizzazione delle risorse disponibili, alla riduzione del danno ambientale e sociale, dovuto a fenomeni come inquinamento, perdita della biodiversità o riduzione della fertilità del suolo.

Infine, le performance offerte dalle reti 5G e la flessibilità introdotta dal paradigma di network slicing, apriranno nuovi scenari nel settore dei media e le reti di quinta generazione potranno assumere un ruolo chiave nella diffusione dei nuovi modelli di distribuzione dei contenuti multimediali basati su IP e WebTV. Verranno infatti interconnessi alla rete 5G non solo gli oggetti propri della produzione tv, quali le telecamere e le camere di ripresa 360°, ma anche nuovi dispositivi che faciliteranno la produzione dei contenuti (ad esempio le videocamere wearable o montate su droni), e dispositivi, come visori o device per la realtà aumentata, che saranno utilizzati dai fruitori dei servizi per vivere i contenuti in modo sempre più immersivo.

Questo articolo fa parte di un progetto di informazione che la nostra testata sta curando, sul destino delle frequenze per 5G e FWB, con l’aiuto dei nostri partner Fastweb e Tiscali.

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