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il quadro

5G, le principali innovazioni tecniche e l’impatto sociale

L’arrivo del 5G implicherà una revisione dei modelli di business degli attori del mercato, dagli operatori mobili e da quelli che operano in settori verticali (utility o intrattenimento) fino ai fornitori di servizi (sanità, trasporto, PA). Ecco con quali effetti sull’industria e la società

19 Set 2019

Gianmarco Panza

Senior Specialist, Cefriel


Con la nuova generazione di reti mobili (specificata dal 3GPP [1], nota come 5G), che si presenta come una rivoluzione più che una evoluzione dalla precedente generazione (4G), per la prima volta si assisterà alla fusione del mondo dei sistemi cellulari, con quello dell’Information Technology (IT). Si prospettano notevoli cambiamenti sia tecnologici che di business, con effetti significativi sia nell’industria che nella società.

Le multi-evoluzioni del 5G

Gli obiettivi prestazionali del 5G sono molteplici, ciascuno con evidenti e diretti benefici. Brevemente con riferimento al 4G [2]:

  • Trasferimento di volumi di traffico 1000 volte superiore, consentendo quindi il trasferimento di file di grandi dimensione in maniera trasparente
  • Latenza di almeno 5 volte inferiore, fino ad 1 ms, portando ad un Round Trip Time (RTT), cioè un ritardo complessivo di andata e ritorno di un messaggio, tale da abilitare applicazioni di controllo remoto in real-time
  • Velocità trasmissiva 10-100 volte superiore, fino ad 1-10 Gbit/s per singolo dispositivo, consentendo la realizzazione di applicazioni, ad esempio basate su video di elevata qualità, di svariato impiego in settori sia dell’intrattenimento che dell’industria
  • Numero di dispositivi in rete 10-100 volte superiore, in pratica fino a 1 milione di dispositivi per chilometro quadrato, abilitando appieno il mondo dell’Internet of Things (IoT), anche in mobilità fino a 500 Km/h
  • Estensione del ciclo di vita dei dispositivi alimentati da batteria di almeno 10 volte, con diminuzione del consumo del 90% nel core della rete, per permettere maggiore autonomia dei dispositivi tipici del mondo IoT e nel contempo contribuire alla realizzazione di un mondo più green, quindi sostenibile
  • Disponibilità tipica del mondo IT, cosiddetta dei “5 nines” (99.999%), abilitando domini applicativi fino ad ora esclusi dai sistemi cellulari, come le utility, tipicamente basate su reti dedicate ad elevate prestazioni ed affidabilità

Oltre a questi si evidenzia anche la capacità di poter realizzare servizi con specifici requisiti funzionali e prestazionali in maniera estremamente rapida, fino ad arrivare all’ordine dei minuti, costruendo una rete (virtuale) ad hoc dedicata, tecnicamente denominata network slice. Trattasi di un concetto nuovo rispetto alle precedenti generazioni di reti mobili, che sfrutta appieno le potenzialità tipiche del mondo IT, come la possibilità di istanziare componenti software (funzioni di rete virtuali) in ambienti cloud, associandogli le risorse di memoria, computazione e comunicazione necessarie. Prevedendo che le piattaforme cloud possano essere supportate sia nel core che nell’edge (e quindi nella parte di accesso) della rete, risulta possibile istanziare delle funzioni di rete od applicative ove necessario e con le prestazioni desiderate, come richiesto dal servizio a cui il network slice è dedicato.

Una tale capacità di costruire dinamicamente servizi con le caratteristiche funzionali e prestazionali desiderate comporta ovviamente una complessità che deve poter essere gestita con un elevato grado di automatismo, dalla pianificazione, progettazione fino alla gestione ed ottimizzazione in fase operativa. Ci si aspettano quindi notevoli applicazioni di Machine Learning (ML) ed Artificial Intelligence (AI).

Le multi-potenzialità e le “multi-questioni”

Le innovazioni tecniche del 5G sono molte e le più svariate, tra aspetti puramente tecnologici, ed invece più architetturali o progettuali, applicando un processo cosiddetto di softwarizzazione. Ma ciò che più porta ad un’evoluzione è che queste rendono il 5G una infrastruttura di rete abilitante di scenari fino ad ora non solo irraggiungibili, ma anche impensati.

Non è al momento chiaro quale sia lo sviluppo e la rapidità di diffusione delle reti 5G, con le più note applicazioni (navigazione, video streaming, social) adeguatamente supportate per quelli che sono gli standard attuali di contenuti e modalità di interazione. Vi sono già le prime installazioni degli Operatori Mobili di infrastrutture 5G o comunque evoluzioni del 4G verso il nuovo standard, oltre che sperimentazioni con progetti propri, tipicamente in partnership (con fornitori di tecnologia, utilizzatori di servizi), pure finanziati da Enti publici (progetti pilota promossi dal MISE). Ma al contempo esistono le preoccupazioni che gli ingenti investimenti nella nuova infrastruttura non siano ripagati e quindi giustificati dai profitti dei modelli di business su di essa basati, per altro ancora in via di definizione.

È importante sottolineare che per garantire le prestazioni sopra menzionate, occorra realizzare una fitta dislocazione di mini celle, le cosiddette micro, pico o nano celle. Una tendenza già seguita nel 4G, ma che nel 5G diventa estremamente più spinta e necessaria. Infatti, occorrono un elevato riuso di frequenze, una densa e robusta copertura, un controllo fine della potenza trasmissiva ed un impiego di un’ampia gamma di nuove frequenze sopra le correntemente utilizzate (sotto ai 6 GHZ), le cosiddette frequenze millimetriche (indicativamente nel range 10-100 GHz). Quest’ultime consentono da una parte lo sfruttamento di sistemi multi-antenna (MIMO, Massive-MIMO e Multi-User MIMO per trasferimento di dati verso più utenti in parallelo mediante tecniche di beamforming), ma che presentano limitazioni nella propagazione (i.e range di copertura ridotto) rispetto alle bande di frequenza già in uso.

Una tale dislocazione di mini celle presenta problematiche di varia natura. Basti pensare agli elevati costi in apparati e collegamenti con la macro cella di riferimento e quindi il backbone, a quelli relativi agli scavi ed all’installazione, oltre agli aspetti legati ai diritti di accesso ai (numerosi) siti ed agli elementi dell’infrastruttura urbanistica, come lampioni, tralicci, tetti di edifici, ecc., di proprietà sia pubblica che privata, il tutto con la dovuta attenzione agli aspetti di disponibilità ed efficienza energetica, e non meno importante, di impatto ambientale.

Diventa auspicabile un approccio diverso a quello tradizionale, in cui un’infrastruttura condivisa, almeno in alcune tipologie di aree, quelle ad alto traffico trasmissivo, come le aree urbane (indoor od outdoor), sia gestita da un “neutral host” in grado di offrire risorse cloud e di comunicazione, a tutti coloro che ne necessitino indistintamente. Un tipo di approccio che si è già impiegato per escogitare modelli di business win-win in USA, ove infrastrutture a mini celle, od a Distributed Antenna System (DAS) od anche WiFI, ad accesso multi-operatore, od in generale multi-tenant, sono già state sperimentate con successo. La neutralità della rete nel 5G si prospetta un concetto nuovo anche per quanto concerne il trattamento delle informazioni, che deve essere specializzato per ciascun network slice al fine di soddisfare le prestazioni specifiche del servizio da realizzare tramite lo slice.

L’accesso all’infrastruttura condivisa con presumibilmente interfacce e piattaforme aperte, eventualmente con taluni componenti pure open-source, facilita ed incentiva il coinvolgimento di nuovi attori nella catena del valore. Oltre agli operatori, ed ad attori “super party” come le amministrazioni locali ed il neutral host, sviluppatori di componenti funzionali o piattaforme, fornitori di servizi, aziende verticali (sia come utilizzatori che come fornitori di servizi) possono cogliere nuove opportunità di business, come singoli o in partnership.

I primi casi d’uso

I requisiti espressi dall’ITU (IMT 2020 [2]) indirizzati dalle specifiche degli standard 3GPP sul 5G (Release 15 e Release 16), identificano tre differenti categorie di servizi:

  • Enhanced Mobile BroadBand (eMBB), per la trasmissione di contenuti multimediali fino all’ordine dei Gbit/s, come per il supporto di applicazioni video 3D, ad alta qualità/definizione o di “Augmented Reality (AR)”/”Virtual Reality (VR)”
  • Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC), per indirizzare elevata affidabilità e latenze dell’ordine del millisecondo, abilitando il controllo remoto in real-time, richiesto ad esempio per il “remote surgery” ed il “automate transport”
  • Massive Machine Type Communication (MMTC), per la connettività di un elevato numero di sensori e dispositivi in aree circoscritte, come per le realizzazione di città e fattorie agricole smart

I Servizi di una categoria singolarmente, o in maniera combinata con quelli di un’altra categoria, dovrebbero poter realizzare tutti i casi d’uso e scenari applicativi al momento idealizzati ed in prospettiva.

Negli ultimi tempi molta energia si è spesa per identificare i casi d’uso che promuoveranno il 5G, cioè i casi d’uso che presentano forte interesse perché indirizzano delle esigenze di mercato già riconosciute. Per questi, i relativi modelli di business prospettano profitti già sul breve o medio termine. Si tratta del Fixed Wireless Access (FWA), e del già menzionato enhanced Mobile BroadBand (eMBB).

Il FWA fornirà accesso ad internet a case ed aziende (più tipicamente di modeste dimensioni) mediante una connessione wireless 5G, sfruttando ad esempio lo spettro MMW e tecniche di beam forming (comunicazione tramite più antenne opportunamente direzionate). L’eMBB è l’abilitatore di servizi immersivi, richiedenti elevate velocità ed affidabilità delle trasmissioni, anche in mobilità, con un costo per bit ridotto rispetto alle precedenti generazioni di sistemi cellulari. Elevate velocità e bassi tempi di risposta sono caratteristiche critiche per il supporto di servizi immersivi di AR/VR. Successivamente, i servizi di tipo MTC e URLLC troveranno impiego in diversi ambiti ed industrie verticali. Gli ultimi casi d’uso introdotti saranno probabilmente quelli che richiederanno pure una copertura pressoché completa del 5G (per alcuni operatori prevista dopo il 2025), come in ambito automotive per l’autonomous transport, o che imporranno maggiori sforzi regolatori, di partnership, di integrazione o sostituzione di soluzioni e tecnologie da molto tempo impiegate. Ovviamente, nuovi servizi che ad oggi non sono stati ancora pensati dimostreranno appieno la necessità di un salto generazionale nelle tecnologie cellulari, e delle comunicazioni in generale.

Casi concreti di impiego e sviluppo del 5G

Al fine di rendere più chiare tutte le considerazioni riportate, di seguito verranno brevemente descritti alcuni casi concreti di impiego e sviluppo della potenzialità del 5G (i.e. delle relative tecnologie abilitanti), come indirizzati in alcuni progetti sponsorizzati dalla EU nell’iniziativa che prende il nome di 5G Infrastructure PPP (Public Private Partnership) [3]. questa, ha l’obiettivo di far collaborare attori sia publici che privati, per spingere l’adozione dei sistemi 5G promuovendone la ricerca, lo sviluppo e soprattutto il valore aggiunto dell’innovazione.

Servizi smart per l’energia

Grazie alla disponibilità di connessioni veloci, a bassa latenza e con il livello di affidabilità tipico delle reti dedicate delle Utility, ad esempio dell’energia, si riescono a realizzare scenari innovativi in una smart grid, sfruttando anche un’adeguata capacità computazionale all’edge della rete 5G (vedi progetto NRG5 [4]) specificatamente, risulta possibile conoscere in tempo reale e con una granularità fine lo stato della rete (e.g. valori di tensione, carico, fase) e delle risorse disponibili (e.g. di sorgenti rinnovabili come impianti a pannelli solari, o di accumulatori di energia come le batterie ricaricabili delle auto elettriche).

Supportando le funzionalità necessarie (i.e. come funzioni virtuali istanziate al bordo della rete) per la raccolta, l’aggregazione e l’elaborazione delle misure rilevanti oltre che per pilotare tempestivamente elementi critici come commutatori, risulta possibile realizzare un market-place dell’energia. In esso, consumatori e produttori (pure rappresentati dallo stesso attore in momenti diversi) di energia, incluse le utility, possono stipulare rapidamente micro-contratti di compravendita di energia senza vincoli di fornitura. Ulteriormente, ciò è attuabile in maniera sicura sfruttando meccanismi aperti e distribuiti (blockchain). Questo porta non solo ad un mercato dell’energia libero, ma anche a vantaggi di affidabilità della smart grid, creando aree geografiche non più dipendenti (o quasi) dallo storico o da un singolo fornitore di energia, tra l’altro tipicamente sfruttando fonti rinnovabili e quindi green. Una tale infrastruttura di misura evoluta (detta AMI, Advanced Metering Infrastructure), si abilita anche grazie all’integrazione, configurazione ed ottimizzazione automatica della rete che connette gli smart meter alla rete di accesso con le più svariate tecnologie wireless (e.g. WiFi, Bluetooth, GPRS, LTE, oltre che nativamente 5G), come previsto nel 5G.

Risulta possibile modificare ed ottimizzare l’instradamento dei flussi di energia sulla base della conoscenza in tempo reale della disponibilità e richiesta di consumo di energia, anche da veicoli elettrici in movimento oltre che di utenze fisse. Ciò permette di aumentare sensibilmente la stabilità e la flessibilità della smart grid, anche in situazioni di fault, che vengono prontamente localizzati e compensati. Infine, all’edge della rete possono essere installati dei servizi che supportano l’operatività di droni per il controllo e la manutenzione preventiva di infrastrutture critiche come impianti di generazione e trasmissione dell’energia, piuttosto che di trasporto e raccolta di gas. Allo scopo, occorre poter pilotare in maniera automatica o da remoto i droni, raccogliere ed analizzare flussi video di elevata qualità (quindi anche di elevate dimensioni) generati dai sensori a bordo dei droni stessi, in tempo reale, ovunque il drone si trovi e con che velocità si sposti. Eventuali allarmi o comunque situazioni che richiedono un’opportuna attenzione possono essere evidenziati in tempi utili, con il grande vantaggio di non muovere personale tecnico o di esporlo a situazioni di potenziale pericolo.

Servizi multimediali evoluti

La estrema flessibilità di progetto delle reti 5g (i.e. di uno slice o rete virtuale) si estende anche alla parte di accesso radio, potenzialmente composta da un elevato numero di celle (i.e. le mini celle come indicato in precedenza). Queste, possono essere arricchite da un ambiente cloud distribuito al bordo della rete per poter disporre di un’infrastruttura che garantisca risorse computazionali al contempo di una densa copertura a larga banda. Mediante un opportuno componente di orchestrazione, risulta possibile realizzare uno slice di rete composto dalle capacità trasmissive e dai servizi desiderati, gestendo in maniera automatica il ciclo di vita delle associate funzioni virtuali, il loro posizionamento, collegamento e risorse di elaborazione ad essere riservate (vedi progetto 5G ESSENCE [5]). Questo avviene a partire da una configurazione iniziale che può essere dinamicamente e flessibilmente modificata a seconda del contesto e delle necessità. Si tratta di sviluppi che riguardano una piattaforme multi-cloud (distribuita ed eventualmente gerarchica) integrata con tool di gestione ed orchestrazione di funzioni virtuali, che implementano anche le componenti radio tipiche di un sistema cellulare. Il tutto è completato da un sistema di monitoraggio e gestione a catena chiusa che attinge a big data ed algoritmi di ML ed AI per un’ottimizzazione dinamica ed una elevata resilienza.

Gli scenari applicativi che vengono abilitati da queste potenzialità del 5G riguardano ad esempio il vertical dell’entertainment. Si può pensare alla generazione, produzione e distribuzione di stream video live, anche in alta definizione in contesti geograficamente e temporalmente localizzati, come può essere un evento sportivo in uno stadio. Flussi video a larga banda possono essere raccolti da telecamere fisse piuttosto che da smartphone, ed elaborati in tempo reale per produrre dei nuovi flussi video distribuiti ad un singolo utente od a gruppi di utenti contemporaneamente. Ciascun utente può ricevere un flusso dedicato, arricchito da informazioni aggiuntive (AR) e relativo ad una specifica (i.e. selezionabile) angolazione di visione (e.g. inquadratura di un giocatore nel momento focale di un’azione, mentre da esso si possono ottenere sia dati anagrafici, o statistici di natura fisiologica). Solo elevate capacità trasmissive ed elaborative opportunamente configurate, dimensionate, dedicate e disponibili al bordo della rete abilitano un scenario multimediale live di questo tipo. Il contesto localizzato potrebbe riferirsi anche ad una rete mobile, come su di un aeromobile in volo, ove i passeggeri possono continuare ad usufruire dei servizi di streaming video dei contenuti preferiti, come se ancora nell’ambiente aeroportuale. In questo caso, l’infrastruttura di rete mobile permette di distribuire i contenuti video richiesti, occupandosi di eventuali adattamenti sulla base delle capacità del display e dell’interfaccia wireless del singolo terminale utente, attingendo più spesso a cash server locali all’aeromobile, e saltuariamente scaricando un nuovo contenuto dalla rete terrestre, con una connessione sempre 5G od al limite di natura satellitare.

Realizzare uno slice di rete in maniera rapida e flessibile, avente garanzie di disponibilità, priorità e prestazioni, oltre che di sicurezza, permette di supportare scenari di sicurezza pubblica (Public Safety) sfruttando una rete 5G non dedicata (i.e. una rete commerciale). Ciò può avvenire in situazioni di emergenza ordinarie, come si definisce un incidente ad una manifestazione politica, ma anche in quelle relative a disastri naturali o atti terroristici. In quest’ultimi casi, può anche essere inficiata l’infrastruttura di comunicazione, ad esempio con l’interruzione dell’interconnessione con la core della rete o con il guasto a talune stazioni base (base-station) con l’effetto di una limitata copertura radio.

È ora possibile riconfigurare dinamicamente la rete di accesso, inglobando (nuove) stazioni base, ed istanziando le funzioni di rete (i.e. come componenti virtuali) necessarie come pure i servizi tipici delle applicazioni critiche (mission critical application), i più noti servizi delle mission critical application sono quelli di localizzazione, di push-to-talk e di comunicazioni di gruppo. Allo slice di public safety vengono dedicate (i.e. garantite) le risorse radio trasmissive ed elaborative necessarie per i servizi menzionati, (ri-)fornendo la copertura nell’area di emergenza. Ciò indirizza la necessità di abbandonare le attuali reti per la public safety, costose e di capacità limitata, a favore di una rete (virtuale) pure dedicata, affidabile, dalle prestazioni e servizi (multimediali) desiderati, ugualmente sicura e costruita su di una rete commerciale pubblica (i.e. la rete 5G).

Un vertical come quello dell’entertainment, o un fornitore di servizi di public safety può sfruttare l’infrastruttura ed i servizi offerti da un neutral host super-party. Di fatto in Italia ciò può avvenire al momento solo in collaborazione con un operatore mobile, di cui oltre alle risorse di rete di trasporto, risulta indispensabile per il possesso delle frequenze radio all’accesso. In effetti, l’asta per lo spettro è già stata condotta e lo spettro disponibile per il 5G è in mano esclusivamente ad operatori mobili. Il neutral host può comunque offrire una densa copertura a small cell ed una capacità elaborativa distribuita al bordo (edge) della rete , con le facility di gestione ed orchestrazione che occorrono per creare gli slice di rete ad esso richiesti.

Conclusioni

Per quanto presentato, risulta chiaro come si debbano rivedere i modelli di business fino ad ora adottati da parte degli attori del mercato, dagli operatori mobili e da quelli che operano in settori verticali come delle utility o dell’intrattenimento.

In generale ciò si applica anche ai fornitori di servizi, e.g. per la sanità ed il trasporto, alla Pubblica Amministrazione ed agli Enti Locali per la realizzazione di città smart, ed infine agli sviluppatori di piattaforme, architetture,componenti o facility per il supporto di servizi innovativi (e.g. basati sull’IoT, sulla generazione, creazione e distribuzione di contenuti). Vi è certamente lo spazio per nuovi attori, tra i quali assumeranno un ruolo rilevante le startup promotrici di prodotti e servizi innovativi, in un mondo convergente delle tecnologie della comunicazione e dell’informazione, sempre in più rapida evoluzione. Per quanto menzionato, i modelli di business basati sul 5G riguarderanno una catena del valore degli stakeholder tipicamente più estesa e variegata rispetto a quella associata ai modelli attuali, con la costituzione di ecosistemi più complessi ma anche di elevato potenziale.

Riferimenti

[1] https://www.3gpp.org/

[2] https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx

[3] https://5g-ppp.eu/

[4] http://www.nrg5.eu/

[5] http://www.5g-essence-h2020.eu/

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