Seminario Le nuove frontiere tecnologiche del 5G: Le comunicazioni radiomobili ad onde millimetriche Panoramica sulle applicazioni che potrebbero trarre beneficio dall uso delle onde millimetriche Roma, 16 Marzo 2016 Scuola Superiore di Specializzazione in Telecomunicazioni Claudia Carciofi Fondazione Ugo Bordoni (FUB) email@fub.it Progetto µwaves-5g, ISCOM & FUB
Scenari d interesse per i sistemi 5G (I) Comunicazioni mobili a banda larga Applicazioni flash : risposta istantanea indipendentemente dal luogo in cui l utente si trova (posto di lavoro, spazi pubblici, in viaggio) Gestione grandi volumi di dati (big data), applicazioni che operano negli spazi condivisi in rete (cloud) Connettività mobile a banda larga in aree affollate Gestione utenti e applicazioni in centri commerciali, stadi, blocchi del traffico Gestione servizi e applicazioni per forze dell ordine o di soccorso pubblico Gestione efficiente e dinamica delle comunicazioni machine to machine Società fully connected : evoluzione rete human-centric verso comunicazioni orientate alle macchine Gestione di diverse tipologie di servizi M2M (sensori a basso costo o apparati più complessi per smart grid) con requisiti diversi di capacità e latenza Garanzia di un elevato livello della qualità percepita dagli utenti mobili Garantire il miglior livello di QoE (Quality of Experience) possibile per l utente, l utente non deve percepire alcun cambiamento nella propria esperienza di comunicazione in diversi luoghi o per diverse applicazioni 2
Scenari d interesse per i sistemi 5G (II) Fonte Alcatel Lucent 3
Requisiti dei sistemi 5G nei diversi scenari d interesse Scenario Sfida da affrontare Obiettivi dei sistemi 5G 1000x volume dei dati 10-100x data rate 10-100x numero dei dispositivi 10x durata della batteria 5x riduzione della latenza E2E Comunicazioni estremamente veloci Data rate molto elevato X Ottimo servizio in aree affollate Riuscire a servire molti utenti X Comunicazioni M2M gestite in modo efficiente e dinamico Ridurre i livelli di energia; numero elevato di dispositivi Elevato livello della qualità percepita dagli utenti Mobilità e latenza bassa X X X X X X X Fonte progetto Metis 4
Possibili applicazioni in scenari reali 5G Ufficio virtuale Società dell informazione in aree dense Gestione del traffico in centri commerciali Gestione del traffico negli stadi Gestione del traffico nelle manifestazioni all aperto Comunicazioni di emergenza Efficienza e sicurezza del traffico stradale Protezione remota delle reti smart grid Monitoraggio attraverso sensori fissi e mobili Gestione degli ingorghi stradali Gestione dei blind spot Elaborazione remota real-time per terminali mobili Fonte progetto Metis 5
Indicatori di qualità KPI per le diverse applicazioni (I) Densità del volume di traffico: Definizione qualitativa: volume totale di dati trasferito in un periodo di tempo verso o da dispositivi end-user diviso per la dimensione dell area di copertura dei nodi della rete tramite cui avviene la comunicazione radio Scenari futuri: densità di volumi di traffico 1000 volte superiori a quelli attuali per incremento di dispositivi mobili con maggiori capacità trasmissive e diffusione di servizi multimediali che richiedono la condivisione di immagini video ad alta risoluzione Throughput effettivamente sperimentato dall utente finale: Definizione qualitativa: throughput medio che il dispositivo raggiunge durante un predefinito periodo di tempo, è una possibile misura del livello di qualità di esperienza (QoE) dell utente per un determinato servizio Scenari futuri: aumento dell ordine delle 10-100 volte del data rate tipico dell utente Latenza Definizione qualitativa: one trip time (OTT), tempo tra l istante in cui un pacchetto di dati è inviato dal sito trasmittente e quello in cui è ricevuto dal sito ricevente. Round trip time (RTT) che si riferisce al tempo che intercorre tra l istante in cui un pacchetto è inviato e quello in cui vengono ricevuti gli acknowledgement dalla entità ricevente che può essere ad esempio un server Internet Scenari futuri: riduzione della latenza per applicazioni di sicurezza che richiedono tempi veloci di reazione da parte delle parti coinvolte. 6
Indicatori di qualità KPI per le diverse applicazioni (II) Affidabilità: Definizione qualitativa: verifica della qualità di una connessione radio per il rispetto di un determinato livello di servizio Scenari futuri: applicazioni super real time nelle quali sono necessari elevati valori di affidabilità con particolare riferimento ai servizi rilevanti per la sicurezza Disponibilità: Definizione qualitativa: è un criterio di verifica per determinare all interno dell area di copertura di un servizio la percentuale di locazioni che presentano valori accettabili di QoE ovvero per M2M percentuale di comunicazioni radio che rispettano i requisiti di QoE all interno di una determinata area geografica Scenari futuri: è importante in tutti gli scenari in quanto fornisce una misura della disponibilità di un servizio per gli utenti e contribuisce anche nei processi di ottimizzazione della rete consumo energetico Definizione qualitativa: indicatore che serve per valutare l efficienza energetica associata ad un architettura di rete Scenari futuri: l incremento di traffico previsto nei prossimi anni e la conseguente maggiore capacità resa disponibile dalle reti pone requisiti stringenti non solo in termini di consumo energetico ma anche di efficienza energetica dei sistemi di prossima generazione Costo Definizione qualitativa: costo per infrastrutture di rete, apparato di utente e licenze spettrali, non sono inclusi i costi customer care e marketing Scenari futuri: l obiettivo delle reti di nuova generazione è di fornire prestazioni più elevate allo stesso costo di quelle precedenti 7
Requisiti di qualità per le applicazioni rivolte alle reti 5G (I) Realtà virtuale Tele-presenza 3D virtuale di persone e condivisione di materiale multimediale interazione real-time garantita da flussi di dati bidirezionali con elevati data rates e bassi tempi di latenza Gestione del traffico in centri commerciali Clientela interessata all accesso ai servizi mobili a larga banda anche nei diversi ambienti indoor del centro commerciale servizi location-based generalizzati o personalizzati, per la fornitura di informazioni logistiche, pubblicità automatismi di apertura delle porte, sorveglianza, protezione antincendio infrastruttura fissa/wireless per i servizi commerciali (registratori di cassa, distributori automatici di bevande, strumenti per il pagamento elettronico) Scenario KPI Requisiti sistemi futuri 5G Realtà virtuale Volume di traffico per utente 36 Tbyte/mese/utente DL e UL Data rate sperimentato da utente 1 Gbps UL e DL, 95% disponibilità (5 Gbps con 20% di disponibilità) Gestione del traffico in centri commerciali Volume di traffico per utente 1.07 Gbyte/utente (DL+UL) durante il periodo di picco di traffico Data rate sperimentato da utente Disponibilità Affidabilità 300 (60) Mbps DL (UL) 95% per traffico all interno del centro commerciale 99% per applicazioni di sicurezza tramite sensori 95 % del tempo per traffico all interno del centro commerciale, 99.9% per applicazioni di sicurezza tramite sensori 8
Requisiti di qualità per le applicazioni rivolte alle reti 5G Aree ad elevata densità di traffico Scenario KPI Requisiti sistemi futuri 5G Società dell informazione in aree urbane dense Volume di traffico per utente 500 Gbyte/mese/utente DL e UL Data rate sperimentata da utente 300 (60) Mbps UL e DL, 95% disponibilità Gestione del traffico negli stadi Volume di traffico per utente 9 Gbyte/h per utente DL+UL durante il periodo di picco (partita) Gestione degli ingorghi stradali Gestione del traffico in manifestazioni all aperto Data rate sperimentata da utente Volume di traffico per utente 0.3-20 Mbps DL+UL 480 Gbps/km 2 DL+UL Data rate sperimentata da utente 100 (20) Mbps DL (UL) 95% disponibilità Numero utenti e dispositivi per area Volume di traffico per utente 100 000 utenti e 10 000 dispositivi 1 km 2 area 3.6 Gbyte/utente DL+UL durante periodo di picco Data rate sperimentata da utente 30 Mbps (DL or UL) 95% disponibilità Infrastruttura fissa permanente Non esistente nell area aperta 9
Requisiti di qualità per le applicazioni rivolte alle reti 5G Monitoraggio e controllo monitoraggio attraverso sensori fissi e mobili monitoraggio di materiali, strutture e componenti critici (edifici, treni ad alta velocità,agricoltura) monitoraggio del movimento e dell utilizzo di oggetti necessità di trasmettere dati solo occasionalmente gestione remota di allarmi, ottimizzazione e adattamento dinamico dei traffico in aree urbane e dell illuminazione efficienza e sicurezza del traffico stradale protezione remota delle reti smart grid Scenario KPI Requisiti sistemi futuri 5G Protezione remota delle reti smart grid Monitoraggio attraverso sensori fissi e mobili Efficienza e sicurezza del traffico stradale Latenza Efficienza energetica Scalabilità protocollo Copertura 99.9% Latenza Velocità relativa Detection range 8 ms per 1521 byte con affidabilità 99.999% 0.015 μj/bit data rate 1 kbps 80% efficienza protocollo per 300000 dispositivi per nodo d accesso Meno di 5 ms 99.999% delle trasmissioni fino a 500 km/h fino a 1 Km 10
Requisiti di qualità per le applicazioni rivolte alle reti 5G Comunicazioni di emergenza Infrastruttura di rete di comunicazioni mobili o fisse fortemente penalizzata a causa di un disastro naturale (es. terremoto) deve essere allestita una specifica rete di comunicazione (life-line) rete elettrica danneggiata: consumo di energia dei terminali e della infrastruttura di rete deve essere ridotto al massimo Scenario KPI Requisiti sistemi futuri 5G Comunicazioni di emergenza Infrastruttura Distrutta o non affidabile Durata batteria (infrastruttura/ue) Disponibilità 1 settimana (tecnologia attuale) 99.9% di trovare vittime 11
Requisiti di qualità per le applicazioni rivolte alle reti 5G blind spots aree rurali con poche infrastrutture di rete o le aree urbane fortemente schermate densificazione delle celle soluzioni flessibili ed efficienti per fornire copertura continua in aree rurale o fortemente schermate maggiore concentrazione di veicoli corrisponde a traffico dati più elevato maggiore consumo di batteria di smartphone e tablet che operano in aree a bassa copertura Scenario KPI Requisiti sistemi futuri 5G Gestione dei blind spot Data rate sperimentata da utente 100 (20) Mbps DL (UL) 95% disponibilità negli spot Efficienza energetica 50% (30%) riduzione per UE (infrastruttura) rispetto alle reti attuali 12
Settori industriali di interesse per applicazioni 5G Automazione industriale: attività produttiva, controllo di qualità, processi di gestione dei materiali Settore Automobilistico: automobile connessa, assistenza alla guida, latenza al di sotto di 5 ms, requisito fondamentale del settore automotive è la disponibilità della rete anche in aree rurali Energia: smart grid, reti di sensori, teleprotezione, lettura e gestione dei contatori elettronici in tempo reale ritardi di trasmissione molto bassi, alta affidabilità dei collegamenti, possibilità di gestire una notevole quantità di dati e un numero elevato di dispositivi, sicurezza, attendibilità ed integrità dei dati Radiodiffusione: MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service, importanza del 5G per servizi di broadcasting, 13
Utilizzo delle applicazioni in scenari reali (1) Eventi sportivi (maratona) Variabili/parametri Valori Performance target Densità di volume di traffico 0.03-1 Mbps/m 2 / (raggio della cella 500 m 2 ) User throughput minimo throughput 0.3-5 Mbps (Uplink) Latenza Inferiore ad 1 ms Disponibilità > 95 % nell ambito dell area dell evento Affidabilità > 95 % Vincoli In linea di massima non sono richiesti vincoli Efficienza energetica (per l infrastruttura) energetici per l infrastruttura E richiesta la possibilità di operare a bassa potenza. Nel caso di dispositive indossabili che Efficienza energetica (UE e altri dispositivi) usano la batteria, operare in regime di ottimizzazione dei consumi energetici è basilare per estendere la durata della batteria Il costo dell infrastruttura dovrebbe essere Costo (per l infrastruttura) paragonabile a quello attuale Per i dispositivi indossabili sono fortemente Costo (UE e altri dispositivi) auspicabili costi ridotti i rispetto ai normali terminali Definizione del Test case 20-50 migliaia di partecipanti Densità utenti/dispositivi 1-2 milioni di spettatori Traffico volume/type 4.5 Mbyte/ora/dispositivo Principalmente utenti con collegamenti in uplink Tipo di utilizzatori 14
Utilizzo delle applicazioni in scenari reali (2) Contenuti multimediali on demand Variabili/parametri Valori Caratteristiche del collegamento Ritardo (one-way) 5 s (per avviare l applicazione); and 50 ms (dopo possibili interruzioni) Data rate [medio] 15 Mbps Direzione Downlink Capacità e copertura Densità dei dispositivi 4000 dispositivi per km2 Densità del traffico 60 Gbps/km2 Posizione del dispositivo A casa Area di copertura 95 % Dispositivo, costi, etc. Tipo di dispositivo A largo schermo Costi [intenzione di pagare/target] 20 al mese UAV (Unmanned Aerial Vehicles) i sistemi 5G potranno possono essere parte integrante di infrastrutture in grado di volare senza pilota (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs), comunemente identificati come droni, o in generale su sistemi robotici. Tali applicazioni hanno tutte le potenzialità per essere attrattive anche da un punto di vista economico. Inoltre possono avere risvolti operativi sia in campo civile che militare 15