Sfide del 5G e tecnologie Beyond 5G (I parte)

Transcript

1 Sfide del 5G e tecnologie Beyond 5G (I parte) Francesco Vatalaro Dipartimento di Ingegneria dell Impresa Mario Lucertini Università degli Studi di Roma Tor Vergata Ministero dello Sviluppo Economico - Comunicazioni, Roma Roma, 16 aprile F. Vatalaro, All Rights Reserved 1

2 Contents 1. 5G timeline and requirements 2. New services 3. The latency requirement 4. The connectivity requirement 2

3 5G timeline in 3GPP and ITU 5G studies specification enhancements product (specs first release) March 2016 June 2017 Sept launch (officially frozen specs) March 2021 Dec (functionally frozen specs) spectrum < 6 GHz spectrum > 6 GHz IMT vision IMT spectrum requiremens 1. 5G timeline and requirements 3

4 5G requirements (comparison with 4G) Connection density (km -2 ) 10 6 User data rate (Mbit/s) Area traffic capacity (Mbit/s/m 2 ) Battery life (years) x 3x Spectrum efficiency (bit/s/hz) four Legend: 5G (overall) (five 9) Reliability (%) Mobility (km/h) Advanced 4G Latency (ms) 1. 5G timeline and requirements 4

5 Latency requirements for new 5G services New services GSMA service map Applications such as immersive gaming, augmented reality, autonomous vehicles, etc. (grey section of Figure) are examples of previously not possible use-cases. 1. 5G timeline and requirements 5

6 Tactile Internet Operatori con interfaccia tattile uomo-macchina (può essere distribuita) Trasmissione via Internet di informazioni audiovisive e tattili Nucleo di rete e accesso radio per assicurare le telecomunicazioni e il motore intelligente di supporto tattile Periferia tattile composta, ad esempio, di robot comandati da sito remoto Il dispositivo tattile consente all'utente di toccare, sentire, manipolare oggetti in ambienti reali e virtuali, e controllarne il funzionamento in un dominio controllato. Un teleoperatore controllato dal dominio master attraverso segnali di comando (nessuna conoscenza a priori dell ambiente) che fornisce segnali di feedback, chiudendo così un circuito di controllo globale. Rappresentazione funzionale dell architettura Tactile Internet. 2. New services 6

7 2. New services 7

8 Realtà immersiva (1) Serie di telecamere multiple per catturare immagini video proiettate su una sfera e ricucite insieme per ottenere un video sferico. (2) Video sferico svolto su piano 2D con proiezione equirettangolare. (3) Lo spettatore può vedere qualsiasi vista in ogni direzione. (4) Assegnato un punto di vista specifico (θ 0,ϕ 0 ), l'immagine sul piano 2D è proiettata sulla sfera e resa sul display. Source: S. Mangiante et al., VR is on the Edge: How to Deliver 360 Videos in Mobile Networks, New services 8

9 Automated Traffic Control Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) o o Requisito di latenza fra 10 ms e 1 ms. Tecnologia ITS (Intelligent Transportation System) che utilizza le comunicazioni wireless per ridurre la distanza tra i veicoli in un plotone, evitando la cosiddetta instabilità di stringa ("ingorghi del traffico fantasma"); aumenta così l'efficienza del traffico e si previene la congestione stradale. Con un livello di penetrazione del 100% di CACC, l aumento della capacità di traffico nelle condizioni di guida manuale è stato stimato a ~110%. Sensibili benefici sono già attesi in uno scenario ibrido, con solo il 20% di penetrazione di veicoli autonomi nel plotone. 2. New services 9

10 Download time Waterfall View Web page test per caricare la homepage del sito «La Repubblica» da Bruxelles il 12 marzo 2017 con Google Chrome Numero accessi: 57 (access requests) Tempo per il documento: 2,6 s (document complete) 3. The latency requirement 10

11 Misure di latenza in reti 4G DHCP= network server that automatically assigns IP addresses (a) a) Latenza E2E minima e media (ping ICMP) misurata con diversi server (distanza crescente da sinistra a destra); b) latenza E2E minima e media misurata in una cella a basso carico (area residenziale) e in una ad alto carico (mercato affollato con molti utenti attivi). Misure eseguite in ambiente urbano denso (centro di Dresda) in scenario a bassa mobilità su smartphone Android. Una parte significativa del bilancio complessivo di latenza è spesa nel nucleo di rete dell operatore. Ad esempio, è necessario un minimo di 39 ms per contattare il gateway del nucleo di rete verso Internet. 3. The latency requirement 11 (b)

12 5G New Radio (5G NR) Per conseguire requisiti di bassissima latenza sono in esame sia nuovi concetti di interfaccia radio (5G New Radio) che soluzioni di architettura di rete. La tecnologia di accesso New Radio (NR) non è retro compatibile con LTE e si può implementare sia alle tradizionali frequenze intorno ad 1 GHz che alle frequenze ad onda millimetrica (fino a 100 GHz). Del 5G sono previste due fasi: Rel-15 sarà la phase 1 (lancio ) Rel-16 sarà la phase 2 (lancio 2021) The latency requirement 12

13 Ridurre la latenza in rete d accesso Nella Release 13 LTE, per minimizzare la latenza è stato specificato il concetto di «Fast uplink access» che, attraverso la preallocazione delle risorse radio, elimina la necessità di scheduling esplicito e dei riscontri individuali. Con LTE Release 14 e 15 è previsto l uso di TTI più brevi (0,14 ms), che insieme alla riduzione dei tempi di elaborazione TX/RX, può ridurre ulteriormente la latenza in accesso a circa 2 ms. Nota: TTI = transmission time intervals 5G NR Target Source: Ericsson, The latency requirement 13

14 Avvicinare le funzioni all end-user S. Mangiante (Vodafone), "Fog and Edge Computing in telecom networks", 2017 presentation 3. The latency requirement 14

15 Evoluzione verso le architetture virtualizzate End-user devices Backhaul Mobile Core Network Current Architecture S1 MME Big Internet PGW Tens of Thousands sites S1 L3 IP Transport NOT visible Aggregation Network SGW ~ Ten nodes EPC - Evolved Packet Core OTT Content/App Server L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed) End-user devices RRH Fronthaul RRH Ir Access Network BBU pool Backhaul S1 Virtualization MME Mobile Core Network EPC Virtualized Architecture Virtualization Aggregation Network Big Internet RRH L3 IP Transport RRH RRH Cloud RAN BBU pool X2 V-EPC S1 QoE platform Note: BBU = Base Band Unit; RRH = Remote Radio Head; MME = Mobility Management Entity; SGW = Serving Gateway; PGW = PDN Gateway SGW PGW L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed) OTT Content/App Server Cloud 3. The latency requirement 15

16 Problema del fronthaul To meet future broadband needs, the United States needs an estimated $ billion of fiber infrastructure investment (Deloitte, 2017) Richiesti alto grado di capillarità degli accessi, alto bit rate per accesso e flessibilità di gestione della capacità Odierno protocollo per il fronthaul: CPRI (common public radio interface) Collegamento fronthaul con trasmissione digitale dei campioni della forma d onda ultra veloce (anche più di 10 Gbit/s) adatto a trasporto ottico, basato sul multiplexing a divisione di lunghezza d onda (WDM) Protocollo essenziale all architettura C-RAN CPRI non è in grado di scalare economicamente quando aumentano le antenne, ad es. con il MIMO (a 4x4 MIMO needs 16 CPRI) Problema della suddivisione (L1, L2, L3) delle funzioni fra RRH e BBU (aumentando le funzioni in periferia, e quindi il processing, sorge problema di tradeoff con la latenza) 4. The connectivity requirement 16

17 Architetture per il fronthaul Architettura Cell-Less (o tecnologia «Elastic Cell»): I terminali della rete cellulare convenzionale si associano sempre a una sola BS (o AP), mentre i terminali di una rete Cell-Less non si associano ad alcun BS/AP. Più siti vicini al terminale cooperano in ogni trasmissione con i dispositivi i quali, al contempo, si collegano a più tecnologie di accesso radio (LTE, 5G in banda bassa, 5G in banda alta, Wi-Fi, etc.) Si combinano livelli di rete eterogenei, contenenti sia macro celle che piccole celle. Per facilitare l aggiunta e l eliminazione dei collegamenti, si prevede un canale di controllo logico persistente, indipendentemente dal sito specifico. 4. The connectivity requirement 17

18 Proposte per il B5G M.Alzenad et al.,"fso-based Vertical Backhaul/Fronthaul Framework for 5G+ Wireless Networks", IEEE Communic. Mag., Jan The connectivity requirement 18