Ecco perché il mobile 5G cambierà tutto (anche per la PA)

Le varie generazioni dei sistemi radiomobili cellulari si sono succedute nel tempo con scadenza decennale. Mentre i sistemi di prima generazione 1g sono i precursori analogici, i sistemi 2g (Gsm) di seconda generazione 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 arrivando ai 100 Mbit/s di download 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. Si parla invece dei requisiti di qualità del servizio che il 5g dovrà rispettare, in termini ad esempio di massima velocità di download (da 10 Gbit/s, in su) 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 a 100 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. Alla fine del 2015 c’erano circa 18 miliardi di oggetti intelligenti e connessi, mentre se ne prevedono circa 50 miliardi per il 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.

Figura 1. Requisiti di servizio per Sistemi 5g, Huawey, 2016

La Figura 1 illustra i requisiti tecnici che i sistemi 5g dovranno rispettare (messi a confronto con quelli dei sistemi 4g/Lte) per consentire l’accesso a Internet non solo da parte dei consumatori, ma anche

dei dispositivi/sensori IoT. Per la continuità della customer experience in mobilità, i requisiti comprendono: velocità di download, velocità del movimento e volume dei dati; per i servizi IoT “mission critical”: latenza e affidabilità; per i servizi IoT di tipo “massive”: numero di dispositivi/sensori serviti eefficienza energetica dei dispositivi/sensori.

Per quanto riguarda infine l’architettura di rete 5g, 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 esaminato nel seguito. Le infrastrutture 5g promettono quindi una maggiore efficienza ed efficacia in termini di consumi di energia, 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 Mobile 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 base station).

La virtualizzazione permette di centralizzare completamente 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.

Inoltre, i sistemi 5g devono essere sorretti da una tecnologia sostenibile e scalabile per trattare efficacemente:

• Crescita drammatica del numero di terminali (all’inizio del 5g, nel 2020, ci saranno 50 miliardi di dispositivi connessi; nel 2030, all’alba dei sistemi 6g, le “cose” si conteranno in milioni di miliardi?).
• Crescita sostenuta del traffico (50-60% Cagr).
• Reti eterogenee (diverse interfacce radio e diversi protocolli standard per connettere dispositivi di utente/smartphone e sensori IoT).

Quindi, 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 2):

• 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 (10 anni) (mMtc: massive Machine Type Communication)
• Bassa latenza e alta affidabilità per servizi IoT mission critical (uMtc: ultra Machine Type Communication).

Figura 2. Cluster applicativi dei sistemi 5g, Itu, 2015

Si osserva che per contrastare il successo dei protocolli IoT di tipo Low Power Wide Area Network (Lpwan, quali: LoRa, SigFox e Weigthless), recentemente il 3gpp ha annunciato due nuovi standard cellulari per l’IoT: il più atteso è basato sull’Lte e si chiama Nb-iot (narrowband IoT) con canali da 180 kHz e capacità fino a 250 kbit/s, mentre l’altro è basato sul Gsm e si chiama Ec-gsm (Extended Coverage Gsm). Per le applicazioni IoT a banda un po’ più larga si confermano, sia il protocollo Lte-M (ridenominato: eMtc, enhanced Machine Type Communication) con canali da 1,1 MHz e banda di 1 Mbit/s, sia il protocollo Lte-Cat1 che abilita capacità superiori fino a 10 Mbit/s.

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.

La Figura 3 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 switching (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. Antenne radio, fronthauling e C-Ran sono usate per la virtualizzazione delle base station, mentre il backhauling collega la Ran al nucleo della rete. Fanno parte della fetta di rete anche le risorse poste nei dispositivi terminali (sensori e apparati di utente). Tutte le varie risorse possono esser dedicate alla singola “fetta di rete”, oppure condivise tra fette di rete.

Figura 3. 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. Un esempio di funzioni Cp sono quelle per la gestione della mobilità presenti nell’elemento di rete detto Mme ( Mobility Management Entity ).

La seconda fetta è dedicata al comparto automobilistico con applicazioni di connected car e autonomous driving (uMtc): 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).

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.

Si osserva che alcune fette virtuali di rete possono essere allocate a servizi orientati alla pubblica amministrazione e ai cittadini, compresi i servizi di emergenza.