Sfide del 5G e tecnologie ‘Beyond 5G’ - isticom.it · Source: Ericsson, 2017 5G NR Target 3....

Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa “Mario Lucertini”

Sfide del 5G e tecnologie ‘Beyond 5G’

(I parte)

Francesco Vatalaro

Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”

Ministero dello Sviluppo Economico - Comunicazioni, Roma

Roma, 16 aprile 2018

1 © 2018 F. Vatalaro, All Rights Reserved

Contents

1. 5G timeline and requirements

2. New services

3. The latency requirement

4. The connectivity requirement

2

March 2016 June 2017 Sept. 2018

5G studies launch

spectrum < 6 GHz spectrum > 6 GHz

specification enhancements product

IMT spectrum requiremens IMT vision

5G timeline in 3GPP and ITU

March 2021

Dec. 2020

(functionally frozen specs)

(officially frozen specs) (specs first release)


3

User data rate

(Mbit/s) Area traffic capacity

(Mbit/s/m2)

Spectrum efficiency

(bit/s/Hz)

Mobility (km/h)

Latency (ms)

Reliability (%)

Battery life

(years)

Connection density

(km-2)

500

3x

103

10

1

106

10

99.999

(five 9)

400

10

1x

1

105

0.1

5G requirements (comparison with 4G)

5G (overall)

Advanced 4G

102

four 9

Legend:


4

Latency requirements for new 5G services

New services

Applications such as immersive gaming, augmented reality, autonomous vehicles, etc. (grey section of Figure) are examples of previously not possible use-cases.

GSMA service map


5

Tactile Internet

Rappresentazione funzionale dell’architettura “Tactile Internet”.

Il dispositivo tattile consente all'utente di toccare, sentire, manipolare oggetti in ambienti reali e virtuali, e controllarne il funzionamento in un dominio controllato.

Un teleoperatore controllato dal dominio master attraverso segnali di comando (nessuna conoscenza a priori dell’ambiente) che fornisce segnali di feedback, chiudendo così un circuito di controllo globale.

2. New services

Periferia tattile composta,

ad esempio, di robot

comandati da sito remoto

Operatori con interfaccia

tattile uomo-macchina

(può essere distribuita)

Trasmissione via

Internet di informazioni

audiovisive e tattili

Nucleo di rete e accesso radio per

assicurare le telecomunicazioni e il

motore intelligente di supporto tattile

6

2. New services 7

Realtà immersiva

(1) Serie di telecamere

multiple per catturare

immagini video proiettate

su una sfera e ricucite

insieme per ottenere un

video sferico.

(2) Video sferico svolto su

piano 2D con proiezione

equirettangolare.

(3) Lo spettatore può vedere

qualsiasi vista in ogni

direzione.

(4) Assegnato un punto di

vista specifico (θ0,ϕ0),

l'immagine sul piano 2D è

proiettata sulla sfera e

resa sul display.

Source: S. Mangiante et al., “VR is on the Edge: How to Deliver 360° Videos in Mobile Networks”, 2017

2. New services 8

Automated Traffic Control

• Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) o Tecnologia ITS (Intelligent Transportation System) che utilizza le comunicazioni wireless per ridurre la distanza tra i

veicoli in un plotone, evitando la cosiddetta instabilità di stringa ("ingorghi del traffico fantasma"); aumenta così l'efficienza del traffico e si previene la congestione stradale.

o Con un livello di penetrazione del 100% di CACC, l’aumento della capacità di traffico nelle condizioni di guida manuale è stato stimato a ~110%. Sensibili benefici sono già attesi in uno scenario ibrido, con solo il 20% di penetrazione di veicoli autonomi nel plotone.

2. New services 9

Requisito di latenza fra 10 ms e 1 ms.

• Web page test per caricare la home-page del sito «La Repubblica» da Bruxelles il 12 marzo 2017 con Google Chrome

• Numero accessi: 57 (access requests) • Tempo per il documento: 2,6 s

(document complete)

Waterfall View

Download time

www.webpagetest.org

3. The latency requirement 10

Misure di latenza in reti 4G

a) Latenza E2E minima e media (ping ICMP) misurata con diversi server (distanza

crescente da sinistra a destra);

b) latenza E2E minima e media misurata in una cella a basso carico (area residenziale) e in

una ad alto carico (mercato affollato con molti utenti attivi). Misure eseguite in ambiente

urbano denso (centro di Dresda) in scenario a bassa mobilità su smartphone Android.

Una parte significativa del bilancio complessivo di latenza è spesa nel nucleo di rete

dell’operatore. Ad esempio, è necessario un minimo di 39 ms per contattare il gateway del

nucleo di rete verso Internet.

(a) (b) DHCP= network server that automatically assigns IP addresses


5G New Radio (5G NR)

• Per conseguire requisiti di bassissima latenza sono in esame sia nuovi concetti di interfaccia radio (5G New Radio) che soluzioni di architettura di rete.

• La tecnologia di accesso New Radio (NR) non è retro compatibile con LTE e si può implementare sia alle tradizionali frequenze intorno ad 1 GHz che alle frequenze ad onda millimetrica (fino a 100 GHz).

https://www.edn.com/5G/4458325/What-is-5G-NR-

Del 5G sono previste due fasi: • Rel-15 sarà la “phase 1” (lancio 2019-2020) • Rel-16 sarà la “phase 2” (lancio 2021).


Ridurre la latenza in rete d’accesso

• Nella Release 13 LTE, per minimizzare la latenza è stato specificato il concetto di «Fast uplink

access» che, attraverso la preallocazione delle risorse radio, elimina la necessità di scheduling

esplicito e dei riscontri individuali.

• Con LTE Release 14 e 15 è previsto l’uso di TTI più brevi (0,14 ms), che insieme alla riduzione dei

tempi di elaborazione TX/RX, può ridurre ulteriormente la latenza in accesso a circa 2 ms.

Nota: TTI = transmission time intervals

Source: Ericsson, 2017

5G NR

Target


S. Mangiante (Vodafone), "Fog and Edge Computing in telecom networks", 2017 presentation

14

Avvicinare le funzioni all’end-user

3. The latency requirement

Tens of

Thousands sites

Evoluzione verso le architetture virtualizzate

Note: BBU = Base Band Unit; RRH = Remote Radio Head; MME = Mobility Management Entity; SGW = Serving Gateway; PGW = PDN Gateway

Current

Architecture

MME

SGW

PGW

S1

S1

Backhaul Mobile Core Network

Big Internet

OTT

Content/App

Server Aggregation Network EPC - Evolved

Packet Core

~ Ten nodes

L3 IP Transport NOT visible L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed)

End-user devices

QoE platform

Cloud

MME

SGW

PGW

S1

S1

Backhaul Mobile Core Network

Big Internet

OTT

Content/App

Server

Aggregation Network

EPC

L3 IP Transport L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed)

Fronthaul Access

Network

BBU pool

BBU pool

RRH

RRH

RRH

RRH

RRH

Virtualization

Cloud RAN

V-EPC

End-user devices

Virtualized

Architecture

Virtualization

X2

Ir

15 3. The latency requirement

Problema del fronthaul

• “To meet future broadband needs, the United States needs an estimated $130– 150 billion of fiber infrastructure investment” (Deloitte, 2017)

• Richiesti alto grado di capillarità degli accessi, alto bit rate per accesso e flessibilità di gestione della capacità

• Odierno protocollo per il fronthaul: CPRI (common public radio interface) – Collegamento fronthaul con trasmissione digitale dei campioni della forma

d’onda ultra veloce (anche più di 10 Gbit/s) adatto a trasporto ottico, basato sul multiplexing a divisione di lunghezza d’onda (WDM)

– Protocollo essenziale all’architettura C-RAN

– CPRI non è in grado di scalare economicamente quando aumentano le antenne, ad es. con il MIMO (a 4x4 MIMO needs 16 CPRI)

– Problema della suddivisione (L1, L2, L3) delle funzioni fra RRH e BBU (aumentando le funzioni in periferia, e quindi il processing, sorge problema di tradeoff con la latenza)

16 4. The connectivity requirement

Architetture per il fronthaul

• Architettura Cell-Less (o tecnologia «Elastic Cell»):

– I terminali della rete cellulare convenzionale si associano sempre a una sola BS (o AP), mentre i terminali di una rete Cell-Less non si associano ad alcun BS/AP.

– Più siti vicini al terminale cooperano in ogni trasmissione con i dispositivi i quali, al contempo, si collegano a più tecnologie di accesso radio (LTE, 5G in banda bassa, 5G in banda alta, Wi-Fi, etc.)

– Si combinano livelli di rete eterogenei, contenenti sia macro celle che piccole celle.

– Per facilitare l’aggiunta e l’eliminazione dei collegamenti, si prevede un canale di controllo logico persistente, indipendentemente dal sito specifico.


Proposte per il B5G

M.Alzenad et al.,"FSO-Based Vertical Backhaul/Fronthaul Framework for 5G+ Wireless Networks", IEEE Communic. Mag., Jan. 2018


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