Introduzione al 5G 15 Aprile 2019 Paolo Bossi

Agenda Proposta 1) Le reti mobili: 2G-3G-4G 2) L’architettura 5G 3)I servizi

L’evoluzione delle reti mobili: da puro analogico alle “reti virtualizzate”

L’evoluzione delle reti mobili: le performance

Chi standardizza tutto ciò: 3GPP (Third Generation Partnership Project) 3GPP è un accordo di collaborazione, formalizzato nel dicembre 1998, fra enti che si occupano di standardizzare sistemi di telecomunicazione in diverse parti del mondo. In questo momento fanno parte del 3GPP: RIB, CCSA, ETSI, ATIS, TTA e TTC.

Come lavora: le release

Lo stato dell’arte: il 5G

L’ecosistema 3GPP (fonte ETSI)

Macrodefinizioni In una rete di telecomunicazioni si possono identificare tre tipi di informazioni di base convogliate attraverso la rete stessa. I tre tipi di informazione sono indipendenti tra loro (spesso anche a livello di circuiti) ma svolgono funzioni complementari che, una volta combinate insieme, garantiscono la corretta operabilità della rete: il contenuto informativo vero e proprio scambiato tra gli utenti e il relativo insieme di collegamenti: questo complesso costituisce il Data plane (piano dei dati) l'insieme delle informazioni di servizio che vengono scambiate direttamente tra i nodi di rete per determinare in modo autonomo, automatizzato e in tempo reale la gestione ottimale del segnale, per esempio tramite opportuni protocolli di segnalazione; questo complesso costituisce il Control plane (piano di controllo o di segnalazione) l'insieme delle informazioni che i nodi scambiano con entità di controllo esterne alla rete, tipicamente i sistemi di gestione, per funzionalità di monitoraggio, supervisione, gestione e controllo della configurazione dei nodi; questo complesso costituisce il Management plane (piano di gestione).

Le componenti di una rete mobile Radio Access Network Core Network Core Voce (2G e 3G) Core Dati (2,5G, 3G, 4G ) Reti di destinazione (dati/internet e voce) User Equipment (terminale+SIM)

La SIM (Subscriber Identity Module) identificano univocamente ed in maniera sicura l’utente ed i suoi servizi . Costruite su tecnologia smart card (UICC) simile alle carte bancarie, le SIM memorizzano i profili operatore che abilitano l'autenticazione reti cellulari. Le carte SIM tradizionali hanno il funzionamento definito dal profilo programmato durante la produzione. eSIM (embedded SIM): sono un'evoluzione della carta SIM progettato per affrontare i limiti delle tradizionali SIM. Incorporano nuove funzionalità che è necessario abilitare il mondo dei dispositivi IoT. Sono in genere SIM fisiche che vengono saldate nel dispositivo e consentono l'archiviazione e gestione remota di più operatori di rete e profili.

La stazione radiobase: BTS, Node B e-Node B. E’ il sottosistema di ricetrasmissione di un segnale radio dotato tipicamente di antenna a settore ricetrasmittente che serve i terminali mobili degli utenti coprendo una determinata area geografica detta appunto cella radio. Rappresenta dunque l'infrastruttura base della telefonia cellulare usata nei radiocollegamenti delle reti mobili cellulari nell'interfaccia radio del sistema cellulare.  Node B ed e-Node B sono le evoluzioni nell’ambito degli standard 3G e 4G.

Numerazione della frequenza Le frequenze in uso in Italia Frequenza Tecnologia Numerazione della frequenza Attuale utilizzo 800 MHz FDD Banda 20 4G 900 MHz Banda 8 2G/3G 1500 MHz SDL Banda 32 4G supplemental downlink 1800 MHz Banda 3 2G/4G 2100 MHz Banda 1 3G/4G 2600 MHz Banda 7 TDD Banda 38 (in test) 4G (in futuro) Le frequenze più basse (800 MHz; 900 MHz) sono in grado di coprire distanze maggiori con più facilità rispetto alle frequenze più alte, inoltre sono le uniche a garantire una soddisfacente copertura in-door (quindi all'interno degli edifici), e per questo sono considerate maggiormente pregiate, poiché adatte sia alle zone urbane che a quelle rurali. Le frequenze più alte, di contro, sono state meno dispendiose per le casse degli operatori, e risultano molto utilizzate in ambienti urbani, grazie alla possibilità di essere aggregate insieme alle frequenze più basse e caratterizzate da minori problematiche per quanto riguarda le interferenze.

L’evoluzione architetturale 2G: backbone in ATM; 3G e 4G: full IP 4G: voce supportata solo in VoLTE.

3G: architettura rete dati

3G: le componenti principali della rete dati SSGN (Serving GPRS Support Node): nodo di controllo responsabile per l’autenticazione degli utenti, la gestione della mobilità, il session management, la QoS, l’interfacciamento verso l’accesso radio, l’instradamento del traffico verso i GGSN e la gestione dei visitatori internazionali in roaming sulla rete; GGSN (Gateway GPRS Support Node): gateway responsabile per l’instradamento verso le reti dati esterne identificate da un APN (Access Point Name ovvero di un identificatore della rete di destinazione, del servizio richiesto e dell’operatore mobile di appartenenza e del tipo ) ad esempio Internet, l’assegnazione degli indirizzi IP ai terminali, la documentazione per fini legali, la tariffazione e gestione degli utenti HLR (Home Location Register): database che contiene i profili di sottoscrizione al servizio degli utenti e le chiavi per autenticazione degli utenti; iDNS (internal Domain Name Server): server DNS di servizio utilizzato per risolvere i nomi degli APN e restituire l’indirizzo del/dei GGSN che li gestiscono.

4G: architettura rete dati Rispetto al 3G: Protocollo radio più efficace e velocità dati aumentata Full IP (non esiste più la componente a circuito) Migliorata efficienza grazie separazione nativa piano di controllo e dati Miglioramento protocolli di autenticazione e sicurezza Always on (ovvero assegnazione indirizzo IP al momento collegamento con la rete) Qualità del servizio

4G: le componenti principali della rete dati L'EPS (Evolved Packet System) è l’evoluzione del sistema GPRS standardizzata dal 3GPP e comprende un nuovo accesso radio in tecnologia OFDM, denominato E-UTRAN, ed una nuova core network completamente basata su IP, denominata EPC (Evolved Packet Core). Il servizio è always-on ovvero è previsto che ogni terminale attestato ad E-UTRAN sia sempre connesso ad almeno una PDN, in modo da avere in ogni momento almeno un indirizzo IP assegnato. L’accesso E-UTRAN è concettualmente equivalente all’integrazione delle funzioni di RNC e NodeB in un unico nodo di accesso, denominato evolved NodeB (eNodeB); Esiste una separazione completa tra le entità preposte al controllo della mobilità, denominate MME (Mobility Management Entity), ed i nodi di trasporto, che sono il SGW (Serving Gateway) ed il PGW (PDN Gateway). Di conseguenza l’MME termina soltanto traffico di segnalazione e si dimensiona in base al numero di utenti connessi. Invece, SGW e PGW sono nodi di commutazione che si dimensionano in base al traffico da smaltire. È quindi supportato in modo nativo il principio di separazione tra controllo e dati; Il SGW è simile alla parte di trasporto di un SGSN e fa da punto di ancoraggio per la mobilità tra E-UTRAN e UTRAN/ GERAN. Ad ogni UE connesso al EPS è associato un unico SGW, di cui è però consentita la riallocazione a seguito degli eventi di mobilità; Il PGW è l’evoluzione del GGSN e, come tale, fa da gateway di accesso alle reti IP esterne, denominate PDN (Packet Data Network), ed è responsabile per l’assegnazione degli indirizzi.

Le differenze tra le varie tipologie di rete 3G-4G WCDMA (UMTS) HSPA HSPA+ LTE LTE Advanced Velocità massima in download 384 kbit/s 14 Mbit/s 42 Mbit/s 326,4 Mbit/s 3,3 Gbit/s Velocità massima in upload 128 kbit/s 5,7 Mbit/s 11 Mbit/s 86,4 Mbit/s 500 Mbit/s Latenza (espressa in ms) 150 100 50 ~ 10 Sconosciuto Versione 3GPP Rel 99/4 Rel 5/6 Rel 7 Rel 8 Rel 10 Metodologia CDMA OFDMA / SC-FDMA OFDMA Ibrido / SC-FDMA

I driver econmici per il 5G secondo l’ETSI

I driver tecnici per il 5G secondo l’ETSI

Gli ambiti di impiego del 5G (3GPP ripreso da ETSI)

5G come abilitante alla rivoluzione digitale

Quali sono le promesse del 5G

I nuovi paradigmi di rete: NFV e SDN Il termine Network functions virtualization (NFV ) nell'ambito delle reti di telecomunicazioni indica un approccio architetturale che sfrutta le tecnologie IT per  virtualizzare intere classi di funzioni dei nodi di rete come blocchi elementari che possono essere interconnessi per implementare servizi di comunicazione. Una funzione di rete virtualizzata consiste in una o più macchine virtuali che gestiscono diversi software e processi su server standard ad alta capacità, switch e dispositivi di memoria o anche su un'infrastruttura in cloud, invece di utilizzare differenti dispositivi hardware per ogni funzione di rete.

I nuovi paradigmi di rete: NFV e SDN La tecnologia Software-defined networking (SDN) costituisce un nuovo approccio in ottica cloud  alle architetture di rete, che ne facilita l'amministrazione e la configurazione al fine di migliorarne performance e facilitarne il monitoring. SDN suggerisce di centralizzare l'intelligenza di rete in un componente separato, disassociando il processo di forwarding dei pacchetti (Data Plane) da quello di routing (Control Plane). Il Control Plane è costituito da uno o più controller che sono considerati il cervello della rete, in cui è incorporata tutta l'intelligenza.

5G: rivoluzione sistemica e non lineare del passato 5G sarà molto più di un’evoluzione lineare della rete mobile LTE con nuovi sistemi di accesso e core, maggiore banda, migliori prestazioni e ridotti consumi. 5G si preannuncia come un’innovativa piattaforma di rete e servizi end-to-end capace di soddisfare le future richieste dei mercati consumer e business della Società Digitale. Dunque il 5G come “rivoluzione sistemica”, espressione della maturazione e della convergenza di una serie di trend tecnico-economici, quali: la diffusione e “trasparenza” dell’accesso ultra-broadband fisso-mobile, lo straordinario aumento delle prestazioni dei sistemi hardware (accompagnato dal contemporaneo abbattimento dei costi), la diffusione di soluzioni e piattaforme software in open source, l’evoluzione del Cloud Computing verso Edge e Fog Computing, i progressi dell’Intelligenza Artificiale e lo sviluppo di terminali, smart thing, sempre più potenti in termini di capacità di comunicazione, elaborazione e memorizzazione.

5G: Il cambio di paradigma portato dall’introduzione di tecnologie come SDN ed NFV

L’idea architetturale del 5g: virtualizzazione, cloudificazione ed orchestrazione

I paradigmi architetturali L’architettura end to end del 5G si pone come obiettivo quello di fornire un’estrema flessibilità in termini di supporto e configurazione di funzionalità e servizi ed integrazione di accessi. Partendo dai building blocks della virtualizzazione (NFV), della programmabilità (SDN) e dell’automazione dei processi (SON), l’obiettivo è quello di realizzare una rete multi-tecnologia integrata sugli accessi wireless e wired (evoluzione di LTE, NR, WiFi, FWA). Tale flessibilità deriva, oltre che dagli abilitatori citati, da nuovi paradigmi architetturali quali la service based architecture, il dataless e la cloudification, che forniscono capability di modularità e flessibilità per i dispiegamenti dell’Operatore e nell’ottica di abilitare un approccio “Platform as a Service” multi-tenancy. Un ulteriore componente è fornito dalle funzionalità di orchestrazione, per la gestione automatizzata delle capability di rete, delle applicazioni e dei servizi, ma anche per le attività di provisionig, administration e maintenance, per la riduzione della complessità di rete, dei costi di operation e del time to market dei servizi.

La reale ambizione: una rete unica per ogni tipo di accesso

Network slicing: una rete dedicata all’IoT La funzionalità di Slicing permette a creazione di reti dedicate virtuali con specifiche funzionalità per servizio e cliente Slice: “Mobile Broadband” Slice: “Massive Internet of Things” Slice: “Mission Critical Control”

Back up

Introduzione

https://www.youtube.com/watch?v=Zf4xizv3xug

3G: le componenti principali della rete dati

Per supportare questi cambiamenti architetturali le reti di trasporto ottica e IP devono evolvere di pari passo, integrandosi all’interno di un framework unico di gestione e configurazione, grazie alle capability dell’SDN, fornendo connettività dove richiesto e “on-demand”, secondo un networking orientato ai servizi e ai contenuti. Infine, è essenziale associare le capability della rete in fibra (banda, consumo di energia, gestione) con i requisiti sempre più stringenti del nuovo accesso radio (throughput, latenza, affidabilità). Questo comporta sia il ricorso ad architetture virtualizzate in rete di accesso (V-RAN), sia alla sempre maggiore remotizzazione al bordo della rete dei contenuti per applicazioni real time, secondo l’approccio MEC. Il design architetturale non dovrà limitarsi ai nuovi sistemi 5G, ma dovrà abbracciare l’evoluzione dei sistemi legacy, in modo da consentire un processo di sviluppo continuo dei servizi, evitando i fenomeni di decommissioning e frammentazione tipici delle architetture tradizionali.