A seguire l’analisi di Maurizio Decina, professor emerito del Politecnico di Milano, su “Telco4Italy Report 2017”, l’iniziativa editoriale CorCom-Digital360 che fa il punto sullo stato delle Tlc in Italia. L’annuario – pubblicato a dicembre 2017 e distribuito in occasione degli Stati Generali delle Telecomunicazioni – raccoglie in sintesi i più importanti avvenimenti dell’anno e soprattutto dà la parola alla community del settore e ai suoi protagonisti. La pubblicazione rappresenta inoltre una sorta di staffetta ideale con Telco4Italy, il più importante evento italiano dedicato al mondo delle Tlc che come da tradizione si tiene a Roma prima dell’estate e che quest’anno è in calendario per metà giugno.
- Verso il sistema 5G
Le varie generazioni dei sistemi radiomobili cellulari seguono un processo industriale strettamente guidato e si sono succedute nel tempo con scadenza decennale. Mentre i sistemi di prima generazione 1G sono i precursori analogici, i sistemi 2G (GSM) nascono nel 1990 e usano la tecnologia radio di accesso TDMA (Time Division Multiple Access). I sistemi 3G (UMTS) nascono nel 2000 e adottano la tecnologia CDMA (Code Division Multiple Access), mentre i sistemi 4G (LTE) nascono nel 2010 e impiegano l’innovativa tecnologia OFDMA (Orthogonal Frequency Division Mutiple Access). Progressivamente la banda dedicata ad Internet si è allargata, partendo dai 10 kbit/s di download dei sistemi GSM per arrivare ai 100 Mbit/s dei primi sistemi LTE.
Col sistema LTE Advanced si raggiungerà ben oltre un 1 Gbit/s verso la fine di questa decade, il 2020, anno in cui nascono i sistemi 5G. A differenza delle altre generazioni industriali, il sistema 5G non è fortemente caratterizzato da una innovativa tecnologia di accesso radio. Si parla invece dei requisiti di qualità del servizio che il 5G dovrà rispettare, in termini ad esempio di massima velocità di download (dai 10 ai 100 Gbit/s) e di massima latenza (1ms). Per ottenere elevate velocità di download sarà necessario operare su porzioni di spettro grandi almeno quanto quelle dello LTE (da 20 MHz fino alle centinaia di MHz in carrier aggregation per l’LTE Advanced), esplorando nuove porzioni dello spettro radio (spettro a microonde e a onde millimetriche, fino a 100 GHz) ed adottando tecniche di “small cells” e di “massive MIMO” (Multiple Input Multiple Output).
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. Si prevedono circa 50 miliardi di oggetti intelligenti connessi nel 2020. 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; 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; automotive, energia (smart grid), sanità, sicurezza, realtà aumentata, automazione della fabbrica, ecc. Per quanto riguarda l’architettura di rete 5G, questa è simile a quella del 4G ed è composta dalla rete di accesso radio (evolved Node B) e dal nucleo della rete: Evolved Packet Core e Internet Multimedia System. La grande differenza rispetto ai sistemi 4G è l’uso estensivo dei sistemi di virtualizzazione della rete: quando la maggioranza delle funzioni di rete è virtualizzata si può intervenire con il concetto di “5G Network Slicing” (“affettamento” virtuale della rete) che viene elaborato nel seguito. 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. La scalabilità e l’agilità nella gestione e creazione dei servizi 5G saranno garantite dall’impiego diffuso di tecnologie di Cloud e di Multi-Access Edge Computing (MEC) in una topologia di rete caratterizzata dall’uso in-door e out-door delle piccole celle. Le tecnologie di virtualizzazione della rete saranno infatti estensivamente impiegate sia nel nucleo (NFV/SDN – Network Function Virtualization/Software Defined Networks) che ai bordi della rete (ad esempio: C-RAN – Cloud Radio Access Network, per la virtualizzazione delle stazioni radio-base). 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 applicazione/transazione (application aware routing), con possibilità di innovazione dei servizi di trasporto offerti ai consumatori, alle imprese e alla pubblica amministrazione.
- I servizi 5G
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 (vedi Figura 1):
- Alto throughput, per servizi video e di realtà aumentata (eMBB: enhanced Multimedia BroadBand)
- Bassa energia, per servizi massive IoT per sensori con batterie a lunga vita (15 anni) (mMTC: massive Machine Type Communications)
- Bassa latenza e alta affidabilità per servizi IoT mission critical (URLLC: Ultra Reliable Low Latency Communications).
Figura 1. Cluster applicativi dei sistemi 5G, ITU, 2015
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, Media & Entertainment, Energia, Sanità e Benessere, Cibo e Agricoltura, 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).
- Le fette virtuali di rete 5G
La Figura 2 mostra il concetto delle 5G network slices (“fette” virtuali di rete 5G) elaborato dalla Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance 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 (core) che nei bordi (edge) della rete, nodi di commutazione (routers), nodi di accesso e collegamenti trasmissivi. I nodi di accesso sono collegati con le stazioni radio base che impiegano differenti interfacce RAT (Radio Access Technology) a seconda del mercato indirizzato. Fanno parte della fetta di rete anche le risorse poste nei dispositivi terminali (sensori e apparati di utente). Tutte le varie risorse possono essere dedicate alla singola “fetta di rete”, oppure condivise tra fette di rete.
Figura 2. Fette virtuali di rete 5G, NGMN, 2016
La figura mostra a titolo di esempio tre fette di rete. La prima è dedicata ai servizi mobile broadband (eMBB): sono evidenziate in rosso le risorse utilizzate e i nodi di servizio sono marcati con le sigle CP e UP (Control Plane e User Plane) a seconda delle funzioni svolte. La seconda fetta è dedicata al comparto automobilistico con applicazioni di connected car e autonomous driving (URLLC): i terminali posti nei veicoli permettono la comunicazione D2D (device to device) oltre che la comunicazione con le infrastrutture. In questa fetta si nota anche l’uso di un dispositivo di edge computing (indicato come “vertical AP”, Application Plane) per migliorare la latenza delle comunicazioni V2I, “vehicle to infrastructure”. La terza fetta è infine dedicata ad applicazioni di massive IoT quali quelle delle smart homes/smart cities (mMTC).
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, il network slicing consente la agevole creazione reti di impresa sia fisse che mobili (vere e proprie Reti Private Virtuali) con caratteristiche di instradamento e gestione delle connessioni di tipo proprietario ed eseguita in collaborazione tra carrier e imprese. Si osserva poi che alcune fette virtuali di rete possono essere allocate a reti e servizi orientati alla pubblica amministrazione e ai cittadini, compresi i servizi di emergenza.
Si osserva infine che nel recente rapporto BEREC sulla Net Neutrality si fa riferimento al 5G network slicing come un possibile strumento per veicolare su Internet “servizi specializzati” e si raccomanda che siano preservate le prestazioni di qualità della fetta di rete relativa al generico accesso dei consumatori a Internet.
- Conclusioni
Mai come per il 5G l’ecosistema industriale dei sistemi radiomobili cellulari si è mosso in forte anticipo e in sincronia verso la realizzazione di una sofisticata piattaforma multiservizio che permette la diffusione dei servizi Internet alle persone e alle cose. Un sistema guidato dalla più forte alleanza industriale del pianeta che, a due anni dalla sua nascita ufficiale (2020), incomincia a prendere forma concreta con i protocolli per l’IoT e le nuove interfacce radio. Gran parte dei servizi 5G potranno essere erogati con i sistemi 4,5G, del tipo LTE Advanced, ove i quattro principali ingredienti tecnologici della futura generazione 5G sono sperimentati e introdotti massivamente sul mercato: Piccole Celle, Virtualizzazione delle Funzioni di Rete, Multi-Access Edge Computing, e Massive MIMO. Il 5G si differenzierà poi rispetto al 4,5G per le nuove interfacce radio NR (New Radio) e per i nuovi sistemi di codifica, multiplazione e correzione degli errori.
Nei sistemi 5G si realizza l’uso estensivo dei sistemi di virtualizzazione della rete: quando la maggioranza delle funzioni di rete è virtualizzata si può intervenire con la tecnica di “5G network slicing” (“affettamento” virtuale della rete). Questa tecnica permette di controllare capillarmente le risorse della rete e di allocarle a funzioni e servizi specifici per una varietà di applicazioni: dalle reti mission critical, alle reti ove è garantita la net neutrality.
L’obiettivo del 5G sono comunque i modelli di sviluppo per i servizi digitali offerti dagli operatori di telecomunicazioni in partnership con le utilities, le pubbliche amministrazioni, le imprese e gli Over The Top (OTT).
