Rete cellulare 5G

Buongiorno a tutti! Oggi vi propongo un argomento nuovo, una panoramica sulle future reti cellulari 5G.

A survey of 5G network: Architecture and Emerging Technology

Negli ultimi anni c’è stato un aumento esponenziale di nuovi dispositivi mobili, con sempre più smartphone e tablet e con un incremento anche delle applicazioni che questi possono utilizzare. Ovviamente più dispositivi si connettono alla rete più il traffico cresce.

Con questa presentazione cercheremo di capire quali saranno i punti chiave che le comunicazioni wireless incontreranno nell’immediato futuro e vedremo, in generale, quali saranno le tecnologie “base” che cercheranno di soddisfare gli obiettivi imposti nelle future reti 5G.

L’obiettivo principale che ci si è posti per il futuro è avere una rete cellulare in grado di soddisfare le richieste in qualsiasi momento, in qualsiasi luogo e da chiunque. Ovviamente tale obiettivo è molto ambizioso e si dovrà cercare di migliorare le attuali tecnologie per soddisfarlo.

Questa presentazione sul 5G si basa su un paper dal nome di “A Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technology”, in fondo al post vi ho lasciato il link. Ciò che l’articolo propone si suddivide nelle seguenti tre sezioni: la prima propone una panoramica sulle tecnologie uscite fino ad ora, quindi partendo dal 1G fino ad arrivare al 4G; la seconda parte introduce un’architettura generale per le reti cellulari 5G; infine verranno presentate le tecnologie che probabilmente faranno da colonna portante alla rete cellulare del 5G.

Evoluzione delle tecnologie wireless

1G: nacque agli inizi degli anni ottanta, poteva “vantare” di un data rate di ben 2.4 kbps, ed era basato su commutazione a circuito. Lo scopo principale era offrire un servizio di voce, poiché internet era ancora “roba primitiva”. Aveva svariati punti deboli come ad esempio un handoff (ossia la gestione della mobilità dei dispositivi) “spericolato” ed era non sicura, ossia soggetta facilmente ad intercettazioni da terze parti.

2G: il 2G continuava ad essere usata solo per la voce, quindi commutazione a circuito, con un data rate di 64 kbps, una “scheggia” rispetto a prima. Aveva dei problemi di batteria, per colpa del segnale basso. Qui nacquero nuovi servizi come gli SMS. Inoltre iniziarono a comparire tecnologie come il GSM e il CDMA (Code Division Multiple Access).

2.5G: qui si iniziano a mescolare un po’ le tecnologie, viene introdotta la commutazione di pacchetto all’interno della rete cellulare, quindi la possibilità di poter navigare nella rete internet con una velocità di ben 144 kbps. Spuntarono nuove tecnologie come il GPRS e EDGE.

3G: qui le cose iniziano a farsi interessanti, il 3G continua a basarsi su un merge tra la commutazione a circuito per le chiamate e la commutazione di pacchetto per i dati. L’obiettivo principale è stato il miglioramento del QoS (Quality of Service). Per ovviare questo miglioramento sono state create diverse tecnologie tra cui le più famose l’UMTS e HSDPA. Il data rate raggiunto è stato quello di 2 Mbps con lo svantaggio di un consumo maggiore di batteria poiché richiede più energia per essere sfruttato. Prima di passare al 4G c’è stato un passo intermedio ossia il 3.5G che vantava di un data rate che andava dai 5 ai 30 Mbps.

4G: qui in termini tecnici si sono fatti grandi passi. L’architettura è stata parzialmente stravolta per quanto riguarda le chiamate, poiché ora tutto si basa su IP, quindi a commutazione di pacchetto (per essere precisi, tale tecnica veniva già usata dal 3.5G). Grazie al 4G sono possibili nuovi servizi e nuove applicazioni come ad esempio le video chat, high definition tv o la mobile tv.

5G: con un’esponenziale crescita della domanda da parte degli utenti, si può passare dal 4G al 5G implementando una tecnica chiamata Beam Division Multiple Access (BDMA). La tecnica consiste nell’allocare un fascio per ogni comunicazione tra la base station e le mobile stations. Perché si ha la necessità di dover passare ad una nuova tecnologia? Cosa comporta un’esponenziale crescita della domanda da parte degli utenti? Principalmente si sono trovati sei punti cardine che il 5G tenterà di soddisfare e che attualmente non sono soddisfatti da parte del 4G:

- higher capacity

- higher data rate

- lower End to End latency

- massive device connectivity

- reduce cost and consistent Quality of Experience

Inoltre, come vedremo tra un po’, all’interno della rete cellulare 5G saranno fondamentali anche tecnologie come gli standards 802.11ac, 802.11ad e 802.11af.

Qui di seguito possiamo vedere un grafico che rappresenta l’avanzamento delle tecnologie, dal 1G al 5G:

Mentre qui di seguito possiamo vedere i sei punti citati poco fa nel paragrafo del 5G, ossia gli obiettivi che questa tecnologia vuole affrontare, con delle possibili soluzioni e design che dovrebbe avere il 5G per poter raggiungere l’obiettivo:

 

Un’architettura per la rete cellulare 5G

Gli autori dell’articolo propongono la seguente architettura, una delle tante possibili che potrebbe essere usata per la rete cellulare 5G. Per superare gli obiettivi che sono stati posti per la rete cellulare 5G, sono necessari dei cambiamenti nel design architetturale della rete cellulare. È stata fatta un’osservazione fondamentale, ossia l’80% del traffico proviene dall’interno degli edifici, mentre il restante 20% proviene da fuori. Con questa osservazione si possono trarre diverse conclusioni, ossia per gli utenti che comunicano da fuori dagli edifici la comunicazione avviene senza problemi, mentre per il restante 80% degli utenti si hanno problemi, poiché il traffico è soggetto a perdite causate dal fatto che il segnale deve attraversare i muri provocando così una grave attenuazione del segnale stesso, di conseguenza si ha una riduzione del data rate e della vita media della batteria (poiché ci serve più potenza per poter mandare il segnale più potente). Quindi la nuova architettura vuole distinguere il traffico che proviene da fuori da quello che proviene da dentro gli edifici. La tecnologia che viene introdotta è quella delle massive MIMO (Multiple Input Multipel Output), che in sostanza è un sistema che utilizza un centinaio di antenne, rispetto alle MIMO che si utilizzano ora che generalmente hanno due o quattro antenne, in tal modo si hanno grandi guadagni nella capacità del sistema. Ognuna di queste massive MIMO viene collegata alla base station tramite fibra ottica per soddisfare al meglio il traffico che viene da fuori dagli edifici. Inoltre ogni edificio è equipaggiato con una antenna array (ossia un insieme di antenne) che comunica con la base station, tale antenna è collegata a degli access point presenti all’interno degli edifici, che sfruttano tecnologie come WiFi, Small cell e millimeter wave, in tal modo gli utenti non avranno più un’attenuazione del segnale dovuta ai muri degli edifici, poiché comunicano con tali dispositivi che sono collegati all’antenna posta sull’edificio, la quale si occupa di comunicare con la base station per accedere alla rete cellulare. Queste tecnologie come le millimeter wave non sono pensate per essere utilizzate all’esterno, poiché tali alte frequenze sono soggette a forti attenuazioni dovute a agenti come la pioggia. Si sono comunque studiate, o sono ancora oggi in fase di ricerca, delle tecniche per poter utilizzare tali tecnologie efficientemente anche all’esterno.

Un’altra componente importante per l’architettura 5G sono le Small Cells. Esse sono dei dispositivi per accedere alla rete cellulare, generalmente distribuiti in modo da soddisfare più utenti possibili. Quello che si vuole fare nel 5G è usarli per gli utenti “mobili” ossia gli utenti che viaggiano, solitamente in treni o automobili, poiché non è facile servire un utente in movimento in modo efficiente. Quindi si vogliono mettere queste mobile small cell all’interno delle auto o treni e fuori equipaggiarli con una massive MIMO, che si occuperà come sempre di comunicare con la base station.

Nella nuova architettura, un’altra componente fondamentale è il network cloud. In questo caso quello che si vuole fare è porre l’user plane ed il control plane come funzioni software, ad alto livello, utilizzando tecnologie emergenti come il NFV (Network Function Virtualization). Un esempio è la XaaS ossia una componente che collega il network radio (quello descritto prima con la base station ecc.) ed il network cloud (quindi la parte software del sistema).

Questa spiegata fino ad ora è un esempio di architettura e come potrebbero essere sviluppati certi casi d’uso, dentro ci sono molti altri elementi che ancora non abbiamo citato come ad esempio il concetto Device to Device (D2D) e le tecnologie IoT. Tra poco parleremo anche di queste tecnologie e di altre che molto probabilmente si incontreranno all’interno dell’architettura del 5G. Di seguito viene proposta un’immagine che rappresenta graficamente la rete cellulare 5G.

 

Tecnologie emergenti per la rete 5G

Come abbiamo ripetuto fin dall’inizio, il traffico crescerà esponenziale nei prossimi anni, così come i dispositivi connessi alla rete. Ogni singolo dispositivo vuole accedere alla rete sempre, in qualsiasi luogo ed in qualsiasi momento. Ovviamente questo è un obiettivo ambizioso e per soddisfarlo bisognerebbe soddisfare i seguenti punti:

- Aumentare di 1000 volte il volume dei dati per area

- Gestire l’incremento dei dispositivi

- Aumentare da 10 a 100 volte il data rate degli utenti

- Aumentare di 10 volte l’estensione della batteria per i dispositivi MMC (Massime Machine Comunication) ossia i dispositivi dell’IoT.

- Ridurre di 5 volte la latenza End to End

Per coprire i punti sopra citati, le ricerche saranno orientate principalmente verso le seguenti tecnologie:

- Radio links: che includono lo sviluppo di nuove forme d’onda e nuovi approcci per il controllo di accessi multipli e gestione delle risorse radio.

- Multi-node and multi-antenna transmission: include principalmente design di tecnologie multi-antenna trasmissione/ricezione basate sulle massive MIMO citate prima.

- Network dimension: include la gestione del traffico e della mobilità e nuovi approcci per la gestione delle interferenze in ambienti con dispositivi eterogenei.

- Spectrume usage: che prendono in considerazione l’aumento dello spettro di banda.

Inoltre ci sono nuove componenti che possono soddisfare gli obiettivi posti prima:

- Device to Device (D2D) communications: La comunicazione diretta tra i dispositivi, con uno scambio del traffico user plane localmente, senza usufruire della rete cellulare.

- Massive Machine Communications (MMC): che forma la base per i sistemi IoT (Internet of Things).

- Moving Networks (MN): migliorano la gestione dei dispositivi mobili in movimento.

- Ultra-dense Networks (UDN): aumenta la capacità e l’efficienza in energia dei links.

- Ultra-reliable Networks (URN): aumenta la disponibilità della rete.

Ora vedremo una panoramica generale delle tecnologie principali, che saranno protagoniste nella futura rete telefonica.

Massive MIMO

Come abbiamo già detto prima, le massive MIMO sono una versione avanzata delle MIMO, con un centinaio di antenne, che permettono così di ottenere tutti i benefici delle MIMO tradizionali ma in larga scala, gestendo così un numero più alto di utenti. Vediamo quali sono i lati positivi della massive MIMO:

1) Ha la capacità di migliorare l’efficienza dell’energia irradiata di 100 volte e allo stesso tempo aumentare la capacità di 10 volte o più

La capacità è aumentata poiché adotta la tecnica di spatial multiplexing, ossia ogni antenna comunica con un’altra antenna e nessuna dipende strettamente dall’altra, in questo modo la massive MIMO può servire centinaia di utenti. Inoltre, grazie all’aumento del numero di antenne, si può concentrare tutta l’energia in una piccola regione di spazio, aumentando così l’efficienza dell’energia irradiata.

2) Le massive MIMO possono essere costruite con componenti a basso costo e che utilizzano poca potenza

Nelle massive MIMO gli ultra-linear amplifiers da 50 W sono sostituiti con centinaia di amplificatori a basso costo che come output si aggirano sui milli-Watt.

3) Le massive MIMO permettono una sostanziale decrescita della latenza

Nelle comunicazioni wireless la prima causa della latenza è il fading, ossia il segnale “rimbalza sugli oggetti” e quindi arriva a destinazione in modi diversi, diciamo sfasato. Grazie al gran numero di antenne e all’uso della tecnica beamforming, ossia di dirigere il segnale verso un punto preciso, si riesce a ridurre la latenza in modo efficiente.

 

4) Robustezza contro il jamming

Il jamming è un disturbatore di frequenze che è in grado di impedire la ricezione e l’invio di onde radio da un dispositivo. Un modo per contrastarlo è adottare il dispositivo di più antenne, proprio il caso delle massive MIMO.

 

Device to Device communication system

Il D2D è un sistema di comunicazione dove i dispositivi finali comunicano tra di loro senza il supporto della rete. Di conseguenza la comunicazione non necessariamente impiega l’uso della base station. Tale tecnologia aumenterà l’efficienza in energia e lo spettro, quindi ci sarà anche un aumento di throughput e meno latenze nelle comunicazioni end to end. Ci sono quattro tipi differenti di comunicazioni D2D:

1) Device Relaying with Base Station Controlled link formation

In questo tipo di comunicazione i dispositivi comunicano con la base station tramite altri device, in tal modo il QoS (Quality of Service) è aumentato, in più viene anche risparmiata batteria poiché non bisogna sforzarsi per comunicare con la base station. Sotto in figura viene mostrato uno schema di questo tipo di D2D.

2) Direct Device to Device Communication with Base Station Controlled Link Formation

In questo tipo di comunicazione i dispositivi comunicano tra di loro senza utilizzare la base station, essa viene solo utilizzata per la gestone del link.

3) Device Relaying with device Controlled Link Formation

In questo caso se due dispositivi vogliono comunicare, ma non sono direttamente raggiungibili, lo possono fare facendosi inoltrare i dati da altri dispositivi intermedi, con la differenza che qui la base station non gestisce il link.

4) Direct Device to Device Communication with Device Controlled Link Formation

Qui il concetto è molto simile al punto precedente, due dispositivi comunicano tra di loro direttamente, gestendosi anche il link.

Ultra dense Network

In sostanza, siccome le reti tenderanno a crescere esponenzialmente in termini di dispositivi connessi, la rete diventerà “densa”, con cause inevitabili che possono creare problemi come l’interferenza e la gestione della mobilità. Di conseguenza la ricerca convergerà verso studi che permetteranno di attenuare l’interferenza dei segnali tra i dispositivi.

Multi Radio Access Technology Association

La crescita delle reti è dovuto all’aumento dei dispositivi connessi ad essa, inoltre i dispositivi sono diversi tra di loro, non abbiamo solo smartphone, si pensi ad esempio all’IoT. Di conseguenza la rete diventerà anche eterogenea, quindi bisogna far in modo di poter utilizzare tutte le tecnologie di trasmissione, non solo il 5G ma anche il 4G, 3G, connessioni wireless e tener conto delle comunicazioni D2D.

Full Duplex Radio

Per far in modo di ottimizzare al meglio la rete mobile, si privilegeranno comunicazioni full-duplex, quindi ogni dispositivo avrà la possibilità di inviare e ricevere nello stesso momento.

A Millimeter Wave Solution For 5G Cellular Network

Come abbiamo ripetuto fin dall’inizio, un’altra conseguenza della crescita esponenziale dei dispositivi, secondo le aziende, è che intorno al 2020 ci potrebbero essere dei problemi di congestione nella rete, di conseguenza servono nuove tecnologie. La possibile congestione è dovuta al fatto che il data rate potrebbe raggiungere la soglia del Gigabit per secondo. Una possibile soluzione potrebbe essere l’utilizzo delle millimeter wave combinate con delle antenne orientabili in modo da orientare in modo opportuno la trasmissione. Le millimeter wave hanno tre problemi: il path loss, il blocking poiché le millimeter wave si bloccano molto più facilmente delle microwave e l’assorbimento dovuto alla atmosfera e alla pioggia che tendono ad attenuare il segnale, ma comunque trascurabile nelle città dove le base station hanno poca distanza l’una dall’altra. Prima abbiamo citato il concetto di “orientare la trasmissione” che tecnicamente viene fatto orientando il “fascio”, concetto nuovo nelle reti cellulari che porta inevitabilmente una revisione dell’architettura.

Cloud Technologies for Flexible 5G Radio Access Networks

Ci sono diverse tecnologie che si possono usare nel 5G che si basano sul cloud compunting.

1) Mobile Cloud Computing

Per capire al meglio questa tecnologia proviamo a fare un esempio. Supponiamo di essere in una città straniera, ad esempio in Giappone, davanti a noi troviamo una scritta, che ovviamente non riusciamo a leggere poiché non conosciamo il Giapponese, allora con il nostro smartphone proviamo a utilizzare un’applicazione che puntando la fotocamera ci traduca istantaneamente il testo nella nostra lingua. Supponiamo inoltre di non poter accedere alla rete, poiché siamo in un paese straniero, e inoltre il nostro smartphone non ha le risorse necessarie per fare la traduzione (quindi non ha il dizionario), cosa possiamo fare allora? Il mobile cloud computing cerca di risolvere proprio queste situazioni, dove gli utenti mettono a disposizione le loro risorse in connessioni ad hoc, così da poterle condividere con altri utenti.

2) Radio Access Network as a Service

Attualmente il radio access network è decentralizzato sulle base station, quello che si vuole fare, per adattarsi ai nuovi requisiti imposti dal 5G, è gestire l’accesso tramite un servizio cloud centralizzato, quindi trasportare ogni singola funzione che era eseguita dalla base station sul cloud service. In tal modo il compito della base station ora è solo gestire le frequenze.

Vi abbiamo dato una panoramica generale su come potrebbe essere la futura rete cellulare. Tra l'altro a breve vedremo possibili implementazioni, per esempio è stato detto che per i mondiali di calcio del 2018 potrebbe esserci una possibile nuova rete cellulare 5G. Quindi non ci resta che aspettare per goderci tutti i fantastici vantaggi che essa ci porterà 😉

Fonti:

Dottore in Informatica. Da sempre appassionato di Linux, reti informatiche, sicurezza e, in modo amatoriale, all'elettronica. Il mio intento è quello di trasmettere le mie conoscenze ad altri appassionati.

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