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i punti di una rivoluzione

Perché il 5G sarà diverso da tutto ciò che abbiamo visto prima

Tutte le tecnologie mobili al loro arrivo vengono presentate come disruptive, e così è anche col 5G. Ma stavolta è probabile che ci sarà davvero qualcosa di diverso. Grazie al nuovo ruolo della connettività di rete. Vediamo cosa cambia dal punto di vista tecnico e architetturale

17 Lug 2018

Antonio Capone

Politecnico di Milano

Luca Dell’Anna

Politecnico di Milano


Nei cicli evolutivi delle tecnologie, ci sono momenti nei quali uno strumento dato per scontato (e ormai diventato una “commodity”), presenta delle novità che possono cambiare in modo significativo la direzione di evoluzione e lo riportano alla ribalta. Con l’arrivo del 5G è probabilmente arrivato quel momento per la connettività di rete, e diventa importante che essa riguadagni l’attenzione sia del grande pubblico che della platea di attori che in diversi campi applicativi possono essere protagonisti di una nuova stagione di servizi digitali che possono avere un significativo impatto sull’economia generale e gli ecosistemi.

Il mondo dei servizi e delle applicazioni digitali deve, del resto, il suo enorme sviluppo degli ultimi vent’anni alla connettività fornita dalle tecnologie di rete che, alimentando nel tempo un tasso di innovazione sempre più veloce, hanno consentito un miglioramento continuo delle prestazioni.

Anche se le continue novità nei dispositivi personali (smartphone e tablets) e nelle piattaforme applicative hanno completamente occupato il palcoscenico dell’innovazione digitale visibile al grande pubblico, sotto traccia le tecnologie di rete sono riuscite a compiere un progresso sorprendente, fatto sia di soluzioni tecniche estremamente sofisticate per ottimizzare l’uso di risorse di spettro scarse, sia di semplificazioni architetturali e di apparati che hanno consentito un grande aumento di capacità e velocità con costi bassi.

Ciò ha reso possibile lo sviluppo delle applicazioni come lo abbiamo conosciuto con l’esperienza di utente e le interfacce avanzate ad alta risoluzione che ormai siamo abituati ad usare ogni giorno, ma ha anche reso sostenibile un ecosistema che ha progressivamente spostato il peso della catena del valore dalla connettività ai servizi.

Perché il 5G è diverso

All’arrivo di ogni nuova generazione tecnologica siamo sempre sommersi da messaggi promozionali che ce la dipingono come una grande novità che cambia lo scenario. Come fatto notare da Roberto Saracco, i messaggi che arrivano oggi per la rete 5G non sono molto diversi da quelli che annunciavano l’arrivo della rete 4G, con un accento sul cambio dei modelli di business ed ecosistema dei servizi abilitati. Tuttavia, una serie di elementi nuovi di tipo tecnico e alcune macro tendenze regolatorie a livello internazionale, ci inducono a pensare che questa volta qualcosa di veramente diverso è probabile che lo vedremo. Del resto, spesso è solo la generazione successiva ad attuare pienamente i cambiamenti promessi da quella precedente, e così come la promessa del mobile internet anticipata dal 3G è stata veramente attuata solo con il 4G, è ragionevole aspettarsi che l’ampliamento dei settori applicativi e i nuovi modelli di business previsti per il 4G trovino il loro strumento di implementazione con il 5G.

Cosa cambia col 5G dal punto di vista tecnico

Dal punto di vista tecnico, la tecnologia 5G non prevede un semplice aggiornamento o rinnovamento delle attuali reti radiomobili ma di fatto obbliga gli operatori a riprogettare completamente l’infrastruttura di rete e a ripensare la tipologia e la qualità dei servizi offerti prima ancora che si sia costituita una concreta domanda per gli ambiti applicativi che devono utilizzarli. Questa è una novità non trascurabile e disegna una netta demarcazione tra il mercato delle comunicazioni radiomobili prima e dopo il 5G.

Si potrebbe anche qui obiettare che non è la prima volta che una tecnologia nasce in cerca della sua “killer application”. Finora, però, l’incertezza sulle applicazioni non aveva mai influenzato sensibilmente le scelte di sviluppo delle infrastrutture di comunicazione che comunque andavano fatte seguendo un‘unica direzione verso il miglioramento della qualità misurata in termini di velocità di trasferimento dati.

Una scelta progettuale radicalmente diversa

La tecnologia 5G nasce da una scelta progettuale radicalmente diversa che riconosce che i nuovi servizi ed applicazioni digitali che ci aspettano nel prossimo futuro hanno requisiti prestazionali molto diversi tra loro in termini non solo di velocità di accesso, ma anche di ritardo di trasferimento dell’informazione, affidabilità del collegamento, densità di terminali connessi, energia necessaria per la comunicazione. Per limiti tecnologici e fisici fondamentali, non è però possibile perseguire un miglioramento delle prestazioni di tutti questi parametri contemporaneamente, ma occorre effettuare delle scelte e compromessi che ottimizzano alcuni dei parametri a scapito di altri (non è ad esempio possibile ridurre il consumo energetico ed aumentare il numero di dispositivi connessi, ed allo stesso tempo tenere alta la velocità di trasferimento dell’informazione). Il 5G è il primo sistema che riconosce l’impossibilità di una soluzione che vada bene per tutti gli scenari e integra la flessibilità di poter definire numerosi punti di lavoro che rappresentano soluzioni tecniche diverse, ciascuna ottimizzata per specifici domini applicativi.

Tutte le dimensioni del 5G

Per aiutare a comprendere quanto il 5G sia differente rispetto alle reti precedenti possiamo dire che il mondo 4G attuale è ad una sola dimensione, quella della velocità di trasferimento. Il 5G sarà invece un mondo a più dimensioni, che includono il ritardo, la velocità, l’affidabilità, e l’energia, all’interno del quale ci si potrà muovere in base alle esigenze della applicazioni rispettando però i vincoli imposti dai limiti fondamentali. Il noto triangolo proposto dal ITU (International Telecommunication Union) per visualizzare questa novità del 5G (mostrato in figura) va dunque interpretato come uno schema che definisce tre principali modalità operative del sistema che massimizzano alcuni parametri prestazionali non compatibili tra loro.

Figura 1: Il triangolo dei domini applicativi del 5G (fonte: ITU)

Ovviamente, i valori massimi raggiungibili rispetto a parametri prestazionali principali sono comunque importanti e segnano il progresso delle soluzioni tecniche che sono messe in campo. Le reti 5G consentiranno di offrire una velocità del collegamento dati da 1 a 6 Gigabit al secondo, per più dispositivi “standard” in una stessa cella mentre ora riusciamo a garantire 1 Gigabit al secondo per terminali di fascia molto alta. In termini di ritardo, la tecnologia 5G consentirà di scendere fino ad alcuni millisecondi nella comunicazione tra dispositivo, rete esterna e ritorno, paragonabile agli attuali collegamenti in fibra (FTTH, Fiber-to-the-Home), un notevole miglioramento rispetto alle decine di millisecondi delle attuali reti 4G. In termini di affidabilità, altra caratteristica determinante della nuova generazione, non possiamo realmente confrontare il 5G con le reti precedenti. Il 5G per la prima volta fornisce delle soluzioni tecniche in grado di fornire garanzie quasi deterministiche sulla consegna dell’informazione entro limiti di tempo stabiliti.

Evoluzione tecnica e rivoluzione architetturale

Ma quali sono le soluzioni tecniche che sono alla base dei cambiamenti del 5G e che gli consentiranno di mantenere le sue ambiziose promesse di cambiamento? In realtà, ormai da tempo il progresso nelle soluzioni tecniche di trasmissione radio e di rete è continuo e l’arrivo di una nuova generazione non introduce novità radicali se non quelle derivanti dal rilassamento dei vincoli di retrocompatibilità che consentono di sfruttare appieno alcune tecnologie.

Tra queste c’è sicuramente la novità più rilevante del 5G a livello radio rappresentata dal Massive-MIMO (Multi-Input Multi-Output), che è responsabile di gran parte dei miglioramenti sui parametri prestazionali. Si tratta di una tecnologia basata su schiere di antenne che dal lato della stazione radio base possono arrivare ad avere da decine a centinaia di elementi e che consentono sia di concentrare la potenza irradiata solo verso lo specifico terminale che si vuole raggiungere, sia di parallelizzare le trasmissioni aumentando sensibilmente la velocità del collegamento radio quando le condizioni del canale lo consentono. Tecniche MIMO sono già usate nel 4G, ma con il 5G diventano l’elemento centrale delle soluzioni radio spingendo le dimensioni delle schiere e la capacità di processamento dei segnali verso limiti impensabili fino a pochi anni fa.

Per il resto la novità della tecnologia radio è sicuramente la flessibilità che consente di gestire modalità operative anche molto diverse tra loro in funzione del tipo di applicazioni che si devono supportare. La configurazione dei molti parametri radio e la grande complessità derivante dalla necessità di ottimizzare il funzionamento della rete e l’uso delle risorse in base alle caratteristiche del servizio rappresenterà una sfida non banale per gli operatori di rete.

Frequenze e architetture di rete

A livello di spettro radio, l’armonizzazione a livello europeo ha portato ad individuare nelle frequenze tradizionali per reti radiomobili (sotto i 6 GHz) una porzione abbastanza ampia di spettro intorno ai 3.4-3.8 GHz che – con tempistiche un po’ diverse – verrà resa disponibile nei vari paesi, e alcune porzioni piccole intorno ai 700 MHz, derivanti dal rilascio di spettro attualmente impiegato per la TV digitale. La grossa novità qui è rappresentata dai progressi nella tecnologia elettronica di base che consente di utilizzare le bande di frequenze delle onde millimetriche, con una porzione molto ampia, circa 1 GHz, intorno alla frequenza dei 26 GHz. La tecnologia di accesso ad onde millimetriche non è ancora matura quanto quella a microonde, ma sicuramente nella seconda fase di sviluppo del 5G sarà quella che porterà i maggiori cambiamenti nella struttura fisica delle reti sul territorio.

Ma se per le soluzioni tecniche radio possiamo parlare di evoluzione, per l’architettura di rete i cambiamenti sono molto più significativi e si allacciano direttamente alla diversità fondamentale del 5G richiamata precedentemente. Proprio la necessità di tenere insieme servizi ed applicazioni con requisiti e caratteristiche molto diverse tra loro, ha spinto il progetto dell’architettura di rete 5G verso il concetto di “slicing” (affettare). L’idea di base è quella di creare delle porzioni di rete dette “slice” (fette), separate dalle altre a livello logico, e ottimizzate per uno specifico insieme di applicazioni e servizi. La coesistenza di diverse slice sulla stessa infrastruttura fisica consente di sfruttare la flessibilità della tecnologia 5G tenendo insieme esigenze diverse.

Questa grossa novità architetturale, gravida di conseguenze anche in termini di ecosistema e modelli di business, sfrutta comunque delle soluzioni tecniche che sono andate maturando negli ultimi anni e già parzialmente utilizzate nella generazione attuale come le tecnologie di virtualizzazione delle funzioni di rete su hardware di tipo generale (Network Function Virtualization – NFV), le architetture di processamento dei segnali centralizzate (Centralized Radio Access Network – CRAN), le Software Defined Networks (SDN), e le piattaforme di Mobile Edge Computing (MEC).

Queste ultime meritano un’attenzione particolare perché sono alla base della già menzionata possibilità del 5G di ridurre sensibilmente i ritardi di reazione di applicazioni critiche. Sfruttando infatti l’evoluzione delle architetture cloud, attraverso il MEC l’operatore potrà avvicinare la potenza di calcolo dai data center remoti alla periferia della rete, vicino agli utenti, così da superare anche i limiti fisici dovuti ai ritardi di propagazione e ai segmenti di rete da attraversare.

Una rete che non solo diventa programmabile per la gestione dei flussi di traffico (con SDN), ma anche una piattaforma cloud distribuita a disposizione di sviluppatori software, è sicuramente una novità di non poco conto rispetto alle opportunità di evoluzione.

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