Seminario. Reti eterogenee nel contesto 5G: potenzialità e prospettive. Scuola Superiore di Specializzazione in Telecomunicazioni

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1 Seminario Reti eterogenee nel contesto 5G: potenzialità e prospettive Scuola Superiore di Specializzazione in Telecomunicazioni Paolo Grazioso Fondazione Ugo Bordoni Roma, 11 febbraio 2016

2 Programma del seminario 10:00 Introduzione: evoluzione delle reti radiomobili dalle origini ad oggi e verso il futuro 5G (P. Grazioso - FUB) 10:20 Soluzioni trasmissive ed architetturali per il 5G (L. Pulcini - FUB) 10:40 Verso il 5G: Infrastrutture di rete abilitanti e laboratorio di sperimentazione (V. Attanasio - ISCOM) 11:00 Componentistica fotonica integrata abilitante per le infrastrutture 5G (S. Penna - ISCOM) 11:20 Intervallo 11:30 Il problema dell ottimizzazione: costi, energia, capacità (P. Grazioso - FUB) 11:50 Abbattere il confine tra informatica e comunicazioni: Network Functions Virtualisation e Software Defined Networks (F. Matera - FUB) 12:10 Adeguamenti delle normative alle nuove realtà: il quadro regolamentare come tecnologia abilitante (R. Castrucci - FUB) 12:30 Gestione dello spettro: problemi aperti in vista del 5G (V. Petrini - FUB) 12:50 Eventuali domande e termine del seminario 2

3 Obiettivi del progetto URBAN (UltraReliable Broadband Access Networks) 1. Rete d accesso Definire il ruolo e l impatto dell impiego di tecniche di trasmissione per sistemi distribuiti di antenne sulle architetture di rete. Tali tecniche rappresentano un evoluzione del concetto tradizionale di antenna e consentono di instaurare comunicazioni con elevati livelli di capacità e/o affidabilità 2. Rete di trasferimento (backhaul e core network) Studiare il ruolo delle tecniche evolute per la gestione e la configurazione delle reti (es. Software Defined Network, Network Function Virtualisation) per rispondere esigenze dell'utente in un contesto di gestione dinamica delle risorse 3. Quadro normativo Definire l impatto dello sviluppo tecnologico delle reti verso il 5G sull ambito regolamentare nazionale e internazionale (il quadro normativo e regolamentare come "tecnologia abilitante") 3

4 Evoluzione dei sistemi radiomobili Come sarà, davvero, il 5G? Anni 80 Anni 90 Anni 00 Anni 10 Anni 20 L evoluzione dei sistemi radiomobili è stata scandita dal passaggio tra le varie generazioni, tipicamente una per decennio. Prima generazione (es. TACS, NMT, AMPS). Sistemi analogici, telefonia vocale di base, apparati veicolari, costi elevati (esclusività). 2G (es. GSM). Sistemi digitali, messaggi di testo (SMS), primi terminali palmari, primi servizi dati, accesso ad Internet con interfaccia testuale (es. WAP), costi in rapida diminuzione (tecnologia accessibile a tutti ). 3G (es. UMTS). Bit rate paragonabili ad ADSL domestica, avvento di smartphone e successivamente tablet che consentono accesso ad Internet in modalità analoga a quella da rete fissa (web browsing, , accesso a contenuti multimediali ecc.), nascita delle app (personalizzazione di interfacce, terminali e servizi). 4G (es. LTE). Accesso ad Internet a banda larga, con ulteriore aumento della bit rate ed esperienza dell utente paragonabile o superiore a quella ottenibile con accesso ad Internet da rete fissa (accesso a contenuti multimediali in HD, ecc.). 5G:??? 4

5 Requisiti delle reti 5G Sono definiti 8 KPI (Key Performance Indicators) per i quali le richieste sono più stringenti dei valori garantiti dalle attuali reti 4G Non tutti i requisiti dovranno essere soddisfatti contemporaneamente e per tutte le applicazioni Figura tratta da 5GPPP, 5G Vision, 5GPPP White Paper, February

6 La sfida: 50 miliardi di dispositivi connessi entro il 2020 Nel 2015 c erano 15 miliardi di dispositivi connessi a Internet. Secondo molte stime, nel 2020 tale numero salirà almeno a 50 miliardi. Figura tratta da Internet of things and logistics, DHL/Cisco,

7 La sfida: più applicazioni e più banda per sempre più persone Aumento nel numero di terminali connessi Aumento nel numero di applicazioni disponibili Per uso consumer : musica, giochi, location-based services (LBS), video, , mobile banking & commerce, social networking, messaggistica (SMS, Whatsapp, Skype e simili) ecc. Per uso business audio- e videoconferenze, , LBS, messaggistica, ecc. Aumento della banda richiesta dalle singole applicazioni Video in alta definizione, audio di qualità, ecc. Aumento del tasso di adozione delle singole applicazioni La richiesta globale di banda cresce «su più dimensioni» 7

8 La sfida: Aspettando lo «tsunami» dei dati Il traffico dati su rete mobile crescerà di 10 volte tra il 2014 ed il 2019, raggiungendo i 24,2 exabytes (*) al mese. Il tasso di crescita annuale composto (CAGR) sarà del 57%. Nello stesso periodo, il traffico Internet su rete fissa avrà un CAGR del 23% ed il managed IP (corporate IP WAN traffic and IP transport of TV and VoD) del 13%. Come conseguenza, il traffico mobile che nel 2014 rappresentava il 4,2% del traffico globale, nel 2019 ne costituirà il 14,4%. (*) 1 EB = 1 miliardo di GB ,5 Traffico dati mobile (Exabyte/mese) Fonte: Cisco Visual Networking Index (VNI), ,2 6,8 10,7 16,1 24,

9 Coesistenza di tecnologie e soluzioni differenti Gran numero di oggetti connessi (stimati 50 miliardi entro il 2020) Grande varietà di terminali (dimensioni, forma, servizi richiesti ecc.): Terminali per uso personale (smartphone, tablet) Terminali ottimizzati per usi specifici (es. fruizione di contenuti video) Aumento nel numero di servizi M2M (con massiccia presenza di SIM 2G) Specifiche molto diverse in termini di parametri di qualità di servizio: copertura, affidabilità, ritardi, bit rate, efficienza energetica, ecc. Possibilità di connettersi a diverse reti, scegliendo di volta in volta quella più adeguata (per costi, copertura, supporto di certi servizi, ecc.). Naturalmente, non tutti i terminali né tutti i servizi richiederanno tutti e contemporaneamente i livelli massimi di ciascun parametro di qualità di servizio o KPI (Key Performance Indicator). Il 5G non sarà uno standard universale, ma sarà basato sulla coesistenza di diversi standard e la cooperazione fra diverse reti, eventualmente di proprietari e/o gestori differenti, integrando soluzioni in parte già esistenti oggi ed in parte ancora allo studio -> reti eterogenee (HetNet) 9

10 Evoluzione o rivoluzione? Le HetNet segnano un cambio di paradigma rispetto alle reti cellulari tradizionali Aspetto Rete cellulare tradizionale HetNet Misura delle prestazioni Distribuzione delle probabilità di copertura/fuori servizio (in termini di SINR) o efficienza spettrale (bit/s/hz). Distribuzione delle probabilità di copertura/fuori servizio (in termini di bit rate) o efficienza spettrale per unità d area (bit/s/hz/m 2 ). Topologia Stazioni base distanti fra loro, con aree di copertura ben distinte (pianificazione regolare, in linea di principio basata sul modello esagonale). Selezione della cella Il terminale si connette alla stazione base più forte (a più di una in caso di soft handover). Downlink e uplink Il downlink e l uplink di una data BS hanno approssimativamente lo stesso SINR, quindi la migliore in DL è generalmente la migliore anche in UL. Architettura stratificata, con pico/femto-celle all interno delle macrocelle. Le stazioni base sono posizionate in modo opportunistico e le loro posizioni possono essere rappresentate con un processo casuale. Ci si connette alla stazione base che garantisce la bit rate più elevata, con preferenza per le small cells. Downlink e uplink possono avere SINR molto diversi, quindi i due link non utilizzano necessariamente la stessa BS. Mobilità Gestione dell interferenza Si effettua un handover verso la BS più forte quando si entra nella sua area di copertura. Si utilizza il riuso (totale o parziale) delle frequenze e si tollerano basse prestazioni a bordo cella. Tutte le BS sono disponibili per il collegamento ( open access ). Handover e cadute di chiamata possono diventare più frequenti utilizzando le small cells in condizioni di elevata mobilità. L overhead di segnalazione può costituire un problema. L interferenza viene controllata mediante l allocazione delle frequenze. Gli utenti possono essere nell area di copertura di una cella ma comunicare mediante un altra BS. La gestione dell interferenza può diventare problematica a causa del numero delle BS e delle variazioni nella capacità dei collegamenti di backhaul. 10

11 Reti eterogenee: potenzialità e sfide tecniche Le reti eterogenee (HetNet) offrono grandi possibilità ma presentano anche importanti sfide tecniche che devono essere affrontate (ed in qualche caso già lo sono state) per completare il cammino verso il 5G: gestione coordinata di più bande di frequenza (aumento di complessità dei terminali); controllo dell interferenza mutua tra celle dei diversi tipi (macro, micro, ecc.); gestione degli handover (occorrerà assegnare i terminali ai vari tipi di cella per classi di mobilità?); gestione di flussi di dati originati da o destinati ad un medesimo utente, che potranno venire instradati attraverso diversi tipi di cella, diverse interfacce radio, diverse frequenze; contenimento dei consumi energetici; dimensionamento della rete di backhaul tra stazione base e core network (occorre evitarne la saturazione in presenza di densificazione della rete); controllo degli accessi e la gestione del traffico, in presenza di terminali e servizi di tipo diverso, con specifiche di qualità estremamente variabili tra l uno e l altro; possibile gestione congiunta della rete di accesso radio (totalmente o solo parzialmente) tra diversi operatori, che comporta problemi di natura regolamentare e commerciale. 11

12 Grazie dell attenzione, a voi la parola Paolo Grazioso pgrazioso@fub.it