L’architettura 5G in funzione dell’IoT

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Una veloce introduzione al 5G

Il 5G rappresenta la quinta generazione di connessione mobile ed offre potenzialità enormi per lo sviluppo di servizi ai cittadini e alle imprese, rendendo gli attuali sistemi di comunicazione estremamente più efficienti, non solo in termini di velocità delle connessioni, ma più in generale in termini di affidabilità, continuità, sicurezza e qualità dei servizi. Rendere più performanti le linee di comunicazione diventa molto importante per le nuove sfide tecnologiche a livello mondiale, alcuni esempi riguardano il machine learning, la blockchain ma anche pagamenti digitali e, più in generale, la digitalizzazione.
Al momento il 5G è in fase sperimentale in alcune città e dovrebbe essere lanciata a pieno regime sul mercato italiano entro fine 2020. Noi di EDALAB stiamo comunque già testando moduli 5G nella nostra piattaforma IoT BOX-IO.

Con il termine 5G si indicano tecnologie e standard di nuova generazione per la comunicazione mobile. Questa “quinta generazione”, che segue le precedenti 2G, 3G e 4G, è quindi la tecnologia di connessione che utilizzeranno i nostri smartphone, ma anche e soprattutto i tanti di oggetti connessi IoT, destinati a essere sempre più numerosi. Una delle caratteristiche principali di questa rete è, infatti, proprio quella di permettere molte più connessioni in contemporanea, con alta velocità e tempi di risposta molto rapidi.

Il 5G offre numerosi vantaggi applicati all’IoT e che possiamo riassumere in:

  • Very high throughput (1-20 Gbps)
  • Ultra low latency (<1ms)
  • 1000x bandwidth per unità di area
  • Massima connettività
  • Elevata disponibilità
  • Dense coverage
  • Basso consumo energetico
  • Fino a 10 anni di autonomia per le comunicazioni machine type

Ogni nuova generazione di tecnologia di comunicazione dati mobile wireless 3GPP ha posto le basi per una nuova serie di casi d’uso e funzionalità. Il 3G è stata la prima tecnologia di comunicazione dati mobile veramente senza fili che si occupava di comunicazione dati. Mentre il 4G è stata la prima vera tecnologia di comunicazione dati wireless IP. Sia 3G e 4G sono stati strumentali e fondamentali per la comunicazione dei dati su dispositivi mobili che, nel tempo, ha portato alla proliferazione di applicazioni come video, e-commerce, social network, giochi e diverse altre applicazioni su dispositivi mobili.

Cosa ha di diverso il 5G?

Il 5G non permette solamente una velocità elevata nelle connessioni dati per il potenziamento della banda larga mobile, ma consente diverse nuove funzionalità che possono soddisfare diversi nuovi casi di utilizzo delle imprese. Non si tratta, inoltre, della semplice evoluzione dell’attuale rete 4G, perché ha caratteristiche tecniche completamente diverse, non solo per la quantità di banda più ampia e per la velocità; si tratta proprio di un modo diverso di gestire le comunicazioni e la copertura, con frequenze, antenne e tecniche di trasmissione dei dati differenti rispetto al passato.

L’architettura 5G in funzione dell’IoT

L’architettura end to end 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).

Evoluzione da 4G EPC
Il nucleo 5G si è evoluto dal 4G EPC in due fasi:

  • Controllo e separazione piano utente (CUPS) del 4G EPC
  • Riorganizzazione delle funzioni 4G EPC CUPS in servizi

CUPS
L’introduzione di controllo e la separazione piano utente nel 4G EPC è il primo passo verso l’architettura 5G. Le funzioni SGW e PGW sono state suddivise in un componente del piano di controllo e dati.

SGW → SGW-C and SGW-U

PGW → PGW-C and PGW-U

Tale flessibilità deriva, oltre che dagli abilitatori, da nuovi paradigmi architetturali quali la service based architecture, il dataless e la cloudification, che forniscono capacità di modularità e flessibilità per i dispiegamenti dell’Operatore e nell’ottica di abilitare un approccio “Platform as a Service”.

Il nucleo 5G come SBA quindi è una maglia di servizi interconnessi, come mostrato nella figura seguente.

Architecture


Il vantaggio di questo approccio risiede nella flessibilità: infatti, anziché dover definire interfacce punto-punto e protocolli specifici per ciascuna interazione tra elementi di rete, vengono definiti servizi che potenzialmente possono essere consumati da qualsiasi elemento (di rete) e che, pertanto, possono essere facilmente riutilizzati in flussi di segnalazione diversi. N
el settore del software, ad esempio, un prodotto può essere suddiviso in diversi servizi di comunicazione e sono state utilizzate architetture basate sul servizio per migliorare la loro modularità. Con questo approccio, gli sviluppatori possono mescolare e abbinare i servizi di diversi fornitori in un unico prodotto.
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.

Un primo elemento di novità nella nuova architettura di rete è rappresentato quindi dalla separazione del controllo della mobilità da quello delle sessioni dati d’utente. Questa modularizzazione delle funzionalità consente di aumentare la flessibilità con la quale esse possono essere composte per realizzare catene di servizio;

Un altro elemento di flessibilità nell’architettura è rappresentato dalla separazione del piano di controllo delle sessioni dati da quello dei dati d’utente. La separazione tra SMF e UPF (User Plane Function) consente all’operatore di dispiegare le UPF nel modo più efficace, in funzione della tipologia di servizi che esse sono deputate a veicolare; ad esempio, per servizi ove è richiesta bassissima latenza, le UPF e le piattaforme di servizio verranno dispiegate quanto più possibile vicino ai dispositivi da controllare.

A differenza di quanto accade nelle reti 4G dove lo SGW rappresenta un’ancora per tutte le sessioni dati d’utente, nel 5G sessioni dati d’utente diversi possono essere ancorate ad UPF diverse. Inoltre una UPF, mediante le funzionalità di Uplink Classifier, può selezionare determinati flussi di traffico nell’ambito di una sessione dati d’utente e ridirigerli verso una rete locale dove, ad esempio, possono essere collocate piattaforme di MEC (Mobile Edge Computing). Ricordiamo che accanto alle sessioni dati di tipo IP la nuova rete 5G supporta anche connessioni dati di tipo non-IP e di tipo ethernet per indirizzare scenari d’uso come quelli connessi al mondo della IoT (Internet of Things). A questo riguardo questa nuova rete supporta nativamente alcune delle funzionalità/ottimizzazioni che erano state aggiunte alla EPC e la possibilità di registrarsi alla rete senza la necessità di attivare una connessione dati.

Cloud e 5G

La rete 5G nasce per essere dispiegata nel Cloud. In questo ambiente le Virtualised Network Function (VNF) hanno un loro ciclo di vita (vengono istanziate e terminate in funzione delle esigenze operative della rete) e per questa ragione è stato introdotto nell’architettura un nuovo elemento funzionale che va sotto il nome di NRF (Network Repository Function). Il ruolo del NRF è quello di tenere traccia di tutte le VNF up and running nella rete: quando una VNF (ad es. un AMF) ha necessità di interagire con un’altra VNF con certe caratteristiche (ad es. un SMF) interroga il NRF per scoprire quali sono le istanze della VNF target attive in quel momento.
Il vantaggio di questo approccio risiede nel rendere le VNF stateless tra una transazione e la successiva e pertanto resilienti a possibili guasti: se una VNF dovesse smettere di funzionare una qualsiasi altra VNF dello stesso tipo potrebbe rimpiazzarla semplicemente recuperando i dati relativi allo stato del terminale dalla USDF. Inoltre, in un ambiente virtualizzato la separazione tra compute e storage agevola lo scale in/out delle VNF.
Ne consegue che anche l’orchestrazione e la gestione della complessità di queste reti virtualizzate rappresenterà una sfida che dovrà essere affrontata mentre l’estrema flessibilità di questa piattaforma apre la porta a nuove opportunità e modelli di servizio.

Capacità di estendere la portata della banda larga mobile
5G può alimentare la tecnologia ben oltre ciò che quella mobile attuale permette. Grazie alla sua velocità e larghezza di banda, il 5G promette di apportare miglioramenti significativi in ologrammi 3D, realtà virtuale e realtà aumentata, creando opportunità di collegare le persone molto al di là di ciò che la tecnologia cellulare attuale consente. Per fare un confronto: oggi le reti mobili italiane consentono di scaricare, in media, 31,1 megabit al secondo (cioè 0,031 gigabit). La banda larga fissa arriva a 47,27 megabit. Il 5G dovrebbe quindi permettere di navigare, mentre passeggiamo per strada, viaggiamo in treno o in macchina, a una velocità 45 volte superiore rispetto alle reti mobili attuali, vuol dire ad esempio, scaricare contenuti anche piuttosto pesanti in modo praticamente immediato.

Minore latenza
La  “latency” (tempo di latenza) è l’intervallo che passa tra l’invio di un segnale e la sua ricezione. Nessuna connessione, neppure la più veloce, raggiunge l’immediatezza ma il 5G si avvicinera’ molto: il tempo di latenza dovrebbe essere quantomeno dimezzato. Ma nelle performance migliori dovrebbe arrivare ad appena 1 millisecondo. I segnali delle reti 5G arriveranno ovunque, collegando città che si trovano a distanza di migliaia di chilometri. La latenza del 5G comprimerà (e di molto) i tempi e diventa decisiva in tutte quelle che richiedono immediatezza tra stimolo e risposta. Basti pensare alla guida autonoma, alla rapidità con cui agisce un macchinario industriale (che diventerà più preciso ma anche più sicuro) o per fino alle applicazioni mediche dove un medico potrà operare a distanza grazie a braccia robotiche e connessioni veloci.

Maggiore densità
Le nuove reti saranno in grado di supportare un numero molto maggiore di dispositivi senza impattare sulla velocità della connessione. La densità di dispositivi connessi secondo la Next Generation Mobile Networks Alliance sarà nell’ordine delle “centinaia di migliaia di connessioni attive simultanee per chilometro quadrato”. Una capacità fondamentale per l’Internet of Things: case private, impianti industriali in cui le macchine non avranno più bisogno di cavi, smart city in cui milioni di sensori analizzano e gestiscono emissioni, traffico, illuminazione pubblica; sarà possibile monitorare in tempo reale ponti e opere d’arte per tenere sotto controllo il loro stato, migliorare i controlli durante in grandi eventi incrociando migliaia di punti di osservazione, gestire in modo autonomo ed efficiente il traffico di strade, porti e aeroporti.

 

Scenari di utilizzo

Comunicazioni a bassa latenza estremamente affidabili (automazione di fabbrica, robotica)
In ambito Industria 4.0, il 5G vuole porsi come tecnologia abilitante l’integrazione dei sistemi e l’interconnessione su larga scala di macchine, robot, sensori, veicoli, prodotti e lavoratori: al fine di supportare la Industry 4.0. Le reti di nuova generazione dovranno facilitare l’automazione, permettendo la condivisione massiva e real-time di informazioni critiche, supportando elevatissimi volumi di comunicazioni con lo scopo di monitorare la produzione e tracciare gli asset e garantendo affidabilità altissime e latenze bassissime. Le innovazioni, in particolare si focalizzano sullo smart manufacturing, nell’idea di una fabbrica  wireless e completamente autonoma dalla fase “Monitoring” e raccolta dati con conseguenti analisi big data, alla fase di “Command and Control “ delle assembly line e dei robot con intelligenza dalla Rete (Cloud e Mobile Edge Computing) grazie appunto. alle latenze end to end della Rete 5G dell’ordine del millisecondo.

Inoltre significativi progressi nella tecnologia dei veicoli autonomi sono possibili con questa rete, creando il potenziale per le persone di avere nuovi livelli di libertà personale e professionale. Gli elettrodomestici collegati possono aiutare ad automatizzare le attività in giro per la casa, che non solo possono migliorare la convenienza personale, ma anche aiutare coloro che hanno bisogno di assistenza con le attività quotidiane.

Smart City
Nelle Smart City, luogo dove le infrastrutture e i servizi tradizionali diventano più efficienti tramite l’impiego delle tecnologie di informazione e comunicazione digitale,  l’impiego pervasivo delle tecnologie digitali si concretizzano in un miglioramento dei servizi pubblici verso i cittadini, un utilizzo più efficiente delle risorse ed un minore impatto sull’ambiente. Le innovazioni in ambito Smart City, si traducono quindi nella capacità di gestire in modo unificato questa grande varietà di dati delle infrastrutture urbane connesse, tra cui il monitoraggio del territorio e dell’ambiente, la gestione del trasporto pubblico, l’illuminazione stradale, le reti e gli impianti delle utility, la gestione dei rifiuti, la gestione dei parcheggi e la digitalizzazione delle abitazioni e degli uffici; in aggiunta a progettare gli interventi urbanistici del futuro sulla base di indicatori e manutenzione predittiva data dall’elaborazione dei dati raccolti.

Intrattenimento
L’esperienza audiovisiva viene riscritta dopo l’implementazione delle più recenti tecnologie alimentate dal 5G: la disponibilità di queste reti di elevate capacità di banda e basse latenze permette l’adozione di nuovi paradigmi di fruizione di contenuti multimediali basati su IP e WebTV. L’interconnessione alla rete non si fermerà solo ad oggetti propri della produzione TV ma anche a nuovi device che faciliteranno la produzione dei contenuti come ad esempio videocamere wearable o droni, oppure device che saranno utilizzati per vivere i contenuti in modalità sempre più immersive quali visori per la realtà aumentata.

Rete mobile ad alta velocità:
La rete 5G rivoluziona l’esperienza mobile grazie ad una rete sovralimentata capace di supportare fino a 10 a 20 GBPS di velocità di download dei dati, l’equivalente ad una connessione internet in fibra ottica accessibile in modalità wireless. Il download mobile sarà molto più veloce, sempre acceso, sempre connesso ed estremamente reattivo, dato dal fatto che le frequenze del 5G sono molto alte e permettono di aumentare di molto la velocità della trasmissione dei dati poiché al loro interno non vi sono le interferenze tipiche delle frequenze più basse.
Le reti 5G consentiranno un accesso sicuro al cloud storage, l’accesso alle applicazioni aziendali e permetteranno di eseguire attività con una maggiore potenza di elaborazione, permettendo di migliorare la nostra esperienza legata alla fruizione di internet: sarà possibile infatti guardare video o film online senza buffering e inviare e ricevere grandi quantità di dati molto più velocemente rispetto al 4G.

In conclusione, è evidente come il 5G sia e sarà una “rivoluzione sistemica”: le infrastrutture verranno superate da un’innovativa piattaforma virtualizzata di rete e servizi end-to-end capace di rispondere efficacemente alle esigenze di un mercato che vede il rapido aumento della richiesta dei servizi e dei contenuti video, la diffusione di massa di prodotti-servizi digitali, ma anche la personalizzazione della pubblicità come nuovo driver di business. L’accelerazione tecno-economica di questa trasformazione pone tuttavia importanti sfide sulla sostenibilità industriale che richiederanno l’adozione di un nuovo ed innovativo approccio per sfruttare al meglio tutto il potenziale di questa nuova rete.