Regolamentare e analisi delle problematiche di coesistenza - ISCOM

Potenzialità dell’accesso condiviso allo spettro in
ottica 5G: Panoramica sullo stato dell’arte tecnico e
                     regolamentare
     e analisi delle problematiche di coesistenza

    Stato dell’arte tecnico e regolamentare per
          l’accesso condiviso allo spettro

                     Claudia Carciofi
                     Fondazione Ugo Bordoni

                     Seminario ISCOM - 11 dicembre 2017

Agenda

 Inquadramento progetto PACOS

 Scenari applicativi 5G

 Quadro di riferimento regolamentare per l’uso dello spettro

 Scenari d’uso spettro verso il 5G:
    •   uso congiunto di bande licenziate e non licenziate
    •   Uso condiviso dello spettro

 Approcci e metodologie per l’uso condiviso dello spettro

 Conclusioni e sviluppi futuri

Progetto PACOS

   Evoluzione tecnologica verso il 5G: possibili problematiche di coesistenza con utilizzi già in esercizio
    (incumbent), soprattutto, ma non solo, in bande candidate all’uso condiviso dello spettro
   Il progetto “Potenzialità dell’Accesso COndiviso dello Spettro (PACOS)”, svolto in collaborazione tra la
    Fondazione Ugo Bordoni (FUB) e l’Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie
    dell'Informazione (ISCOM), è stato ideato e condotto allo scopo di sviluppare, consolidare e validare le
    metodologie di test finalizzate alle analisi di coesistenza
   La metodologia proposta si basa sulla combinazione di misure in laboratorio e on air attraverso
    l’identificazione di opportuni set-up sperimentali e di procedure di test. Tale approccio, pur essendo
    stato implementato e validato per le analisi di coesistenza tra sistemi Wi-Fi e TDD LTE in banda 2.3-2.4
    GHz, risulta del tutto generale e potrà essere applicato per lo studio di altri scenari di condivisione dello
    spettro previsti per lo sviluppo futuro dei sistemi 5G

Scenari previsti per sistemi 5G

   Raccomandazione ITU-R M.2083: sono stati identificati i principali scenari d’uso per IMT-2020:
     •   Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
     •   Ultra-reliable and low latency communications (URLLC)
     •   Massive machine type communications (mMTC)

Caratteristiche reti 5G

   copertura sempre ed ovunque, fissa e mobile
   elevata velocità di trasmissione in up e down
   basso ritardo tra trasmissione e ricezione
   basso consumo, lunga vita dei dispositivi
   elevata affidabilità

Tecnologie abilitanti per 5G

   reti eterogenee (HetNets): macrocelle, microcelle, picocelle
   Antenne intelligenti: massive MIMO, AAS, beamforming
   Uso dello spettro ad onde millimetriche > 6 GHz
   Ampie larghezze di banda del canale per garantire bit rate elevate
   Uso di spettro licenziato, condiviso e non licenziato
   sistema utilizzabile da più settori industriali con differenti specificità (settori verticali)

Nuovi requisiti sui sistemi di antenna 5G

 La rete di accesso Radio sta implementando tecnologie innovative allo scopo di aumentare
drammaticamente la capacità e l’efficienza spettrale determinando anche un impatto sulla complessità
dei sistemi di antenna.
                                                                                         3. Multi-Band Antennas
                                                                                            for intensive CA and
                                        5. mmW                                              very high data rate
                                           for eXtreme
 12 (HB) + 6 (LB)
                                           Fixed and
 beams lens
                                           Mobile
 antenna
                                           Broadband                    Multi-
                                                                        RET
                                                                   BT

 1. Multi-Beam
    Antennas
    for extra huge                                               Band 1 Band 2 Band N   Multi-Band eNB
    capacity
 Multi-columns
 phased array                                                                                         Vertical
                                                                                                 Sectorization
                                                                                                          OFF

                                                                                                      Vertical
 2. Massive MIMO
                                                                                                 Sectorization
    for impressive
                                                         4. Active Antenna                                 ON
    user
                                                            Systems
    experience
                                                            for beam sectorization
                                                            , adaptive
                                                                                                  Fonte Telecom Italia
                                                            beamforming

Le frequenze per il 5G

   Esigenze di spettro per i sistemi radiomobili 5G (IMT-2020):
      Preparazione prossima WRC-19:

            studi appropriati per la determinazione delle esigenze di spettro per la componente
              terrestre IMT nell’intervallo di frequenze tra 24.25 GHz e 86 GHz
            studi di condivisione e compatibilità per le seguenti bande di frequenza: 24.25-27.5
              GHz, 31.8-33.4 GHz, 37-40.5 GHz, 40.5-42.5 GHz, 42.5-43.5 GHz, 45.5-47 GHz, 47-47.2
              GHz, 47.2-50.2 GHz, 50.4-52.6 GHz, 66-76 GHz e 81-86 GHz

   Bande pioniere 5G in Europa:
      RSPG ha definito le bande prioritarie e le frequenze pioniere per l’introduzione dei sistemi
         wireless terrestri 5G in Europa:
            3400 - 3800 MHz banda prioritaria adatta all’introduzione dei servizi basati sul 5G in Europa
              anche prima del 2020
            banda 24.25-27.5 GHz come banda pioniera per l’Europa che deve essere armonizzata
              prima del 2020
            banda 700 MHz con l’obiettivo di abilitare una copertura 5G nazionale e anche garantire la
              copertura indoor

Quadro di riferimento regolamentare per l’uso
dello spettro

Scenari d’uso spettro verso il 5G: uso congiunto di bande
    licenziate e non licenziate
   Utilizzo per sistemi mobili bande ad uso libero tradizionalmente usate per sistemi come il WiFi

   benefici dell’uso dello spettro senza licenza al mondo radiomobile:
      soddisfare la crescente domanda di dati
      offrire agli utenti finali connessioni ad alta capacità, attraverso l'aggregazione di spettro
         licenziato e ad uso libero

   L’impiego di bande ad uso libero da parte di reti LTE presuppone un uso ‘gestito’ della risorsa radio,
    a differenza di quanto accade per i sistemi WiFi. Ciò significa che la rete dovrà garantire tutte le
    funzionalità tipiche dei sistemi radiomobili (autenticazione, core network unificata, ecc.) e
    soddisfare specifici requisiti di sicurezza e di prestazioni.

   Gli studi in materia di coesistenza tra sistemi WiFi e LTE svolti nel Progetto PACOS, pur facendo
    riferimento a frequenze e, in parte, a scenari d’uso differenti costituiscono un bagaglio di
    conoscenze metodologiche, teoriche e analitiche che si potranno impiegare, in prospettiva, anche
    per l’analisi di casi d’uso differenti orientati anche ai sistemi 5G, come appunto il paradigma LAA
    per l’utilizzo dello spettro

                Problema coesistenza tra sistemi LTE-U/LAA e WiFi

Tecnologie in bande licenziate e non licenziate

                                   Fonte Qualcomm

Licensed Assisted Access

• Modalità di impiego dello spettro: Licensed Assisted Access (LAA) una modalità di utilizzo delle
frequenze innovativa, fondamentale nel percorso di evoluzione delle comunicazioni mobili verso il
5G
• LTE-U/LAA : uso Carrier Aggregation (CA) per aumentare la capacità fornita dallo spettro licenziato
LTE attraverso l’integrazione di frequenze non licenziate

• spettro licenziato cella primaria (Pcell) e non licenziato di una o più celle secondarie (Scells)

• le celle primarie servono il traffico con requisiti più stringenti di ritardo e garantiscono la copertura
del servizio mentre le celle secondarie gestiscono maggiormente il traffico di tipo best effort

Scenari d’uso spettro verso il 5G:
condivisione dello spettro

                                     Fonte Qualcomm

Tecniche di condivisione dello spettro (I)

 Condivisione orizzontale:
    Coesistenza tra sistemi aventi tecnologie radio simili
    Minore complessità e minore neutralità tecnologica

 Condivisione verticale:
    Coesistenza tra diverse tecnologie (numero limitato di tecnologie o tutte le
      tecnologie)
    Maggiore complessità per il controllo dell’interferenza
    Approccio regolamentare di neutralità tecnologica

                                                    Complessità sharing

                                                              Neutralità tecnologica

Tecniche di condivisione dello spettro (II)

 Tecniche distribuite di condivisione dello spettro
    Tecniche basate sul sensing
    Selezione dinamica del canale (DFS/DCS)

 Tecniche centralizzate di condivisione dello spettro
    Geo-location database

 Tecnica basata su LSA Licenced Shared Access
    Possibile uso del geo-location database per gestire la coesistenza tra diversi
       incumbent e servizi LSA

Spectrum sensing

 tecniche di “spectrum sensing” vengono attuate dai dispositivi per rilevare la
  presenza di servizi protetti in ciascuno dei canali potenzialmente disponibili

 misurazioni dei parametri radioelettrici sul canale candidato per stabilire se un
  servizio protetto è o meno presente. Se il canale è disponibile, il monitoraggio
  può essere esteso ai canali adiacenti per stabilire se occorre o meno limitare
  entro certi valori la potenza trasmessa sul canale libero

 per garantire adeguata protezione agli utilizzatori primari le soglie di sensing
  devono essere fissate a valori molto bassi e ciò comporta un aumento dei costi e
  della complessità dei dispositivi

 diverse tecniche di spectrum sensing: rilevazione dei livelli di energia, la
  rilevazione delle forme d’onda o delle caratteristiche di ciclo-stazionarietà.
  Ciascuno di questi metodi presenta una capacità di rilevamento o una
  complessità computazionale diversa. La scelta di uno specifico metodo di
  sensing è effettuata in funzione del tipo di segnale da monitorare e delle risorse
  computazionali disponibili.

Database di geolocalizzazione

 I dispositivi determinano la loro posizione e consultano un database di "geo-
  localizzazione" per determinare quali frequenze possono utilizzare nella loro
  posizione. Parametri rilevanti per un corretto funzionamento sono l’accuratezza
  della posizione e la frequenza con cui sono richiesti i dati al database

    I dispositivi non possono trasmettere fino a quando non hanno determinato
    correttamente dal database quali canali sono disponibili nella loro posizione. Ciò
    richiede che il primo accesso al database avvenga mediante un canale riservato,
    ubicato in una gamma di frequenze diversa da quella potenzialmente impiegata
    dagli utilizzatori primari

 L’accuratezza della georeferenziazione è un elemento importante del metodo di
  accesso al database

 Esistono diversi modi per georeferenziare adeguatamente i dispositivi. I
  dispositivi fissi come gli access point possono essere configurati in modo da
  memorizzare la loro corretta posizione al loro interno. I personal computer e
  dispositivi portatili possono utilizzare tecnologie di geo-localizzazione quali il
  GPS.

Definizione di LSA (Licenced Shared Access)

 LSA consiste in un sistema di licenze con diritti d’uso individuali per un numero
  limitato di licenziatari in una determinata banda di frequenza, già attribuita ad uno o
  più soggetti assegnatari in via primaria (incumbent).

 Gli utilizzatori addizionali (LSA licensees) hanno il diritto di utilizzare le frequenze in
  oggetto (o parte di esse), secondo le regole di condivisione contenute nei diritti d’uso
  accordati

 Le regole che permettono la condivisione di risorse frequenziali in termini di tempo,
  spazio e specifiche frequenze dovranno essere convenute con gli utilizzatori
  incumbent e fissate nei diritti d’uso associate alle licenze da parte delle Autorità di
  Regolamentazione (NRA) e dovrebbero permettere a tutte le parti coinvolte di
  mantenere una QoS prevedibile

 Per quanto utile in particolari bande già assegnate a servizi primari incumbent e,
  quindi, di difficile accesso per vie alternative da parte degli operatori radiomobili (ad
  es: la banda 2.3 GHz e nelle bande 3.4-3.6 GHz), uno dei limiti dell’approccio LSA sta
  nella parzialità dell’estensione nell’utilizzo sul territorio e nel tempo che, pur
  permettendo una QoS predefinita, possono essere fortemente limitanti per le
  strategie commerciali

Approccio di condivisione basato su LSA

                                         Metodologia per definire sharing framework
A regulatory approach aiming to
facilitate  the     introduction    of        STEP 1. Identify incumbent uses
radiocommunication            systems
operated by a limited number of                STEP 2. Determine the rules and
licensees under an individual                      conditions for sharing
licensing regime in a frequency
band already assigned or expected
                                               STEP 3. Authorise the use of the
to be assigned to one or more                   spectrum by other users/new
incumbent      users.    Under     the                    entrants
Licensed Shared Access (LSA)
approach, the additional users are
authorised to use the spectrum (or                STEP 4. Verify compliance
part of the spectrum) in accordance                  with sharing rules
with sharing rules included in their
                                                              Source: draft ECC Report 254
rights of use of spectrum, thereby
allowing all the authorised users,
including incumbents, to provide a
certain Quality of Service (QoS)

Architettura concettuale LSA

                     National Administration
Management of incumbent               Definition of the         Incumbent
and LSA information (GIS)            sharing framework            network            LSA network
                                Sharing
                                                 Authorised
       Incumbent
                              framework
                                                LSA services
      geographical             and rules        technical and
       & technical                              geographical

                                                                                         Activation/deactivation
          data                                      data

                                                                                             of rights of use
                           LSA repository
                                                                   Monitoring
               Geolocatio        Technical        LSA
                                                                  and reporting
                    n             sharing       channel
               database          rules and       usage
               spectrum          parameter     reporting
               availability          s
                         LSA simulation tool                           LSA controller
                      Propagation         Sharing/               Interference        QoS
                       Coverage         Compatibilit              Monitoring      assessment
                        analysis             y                    and control     and control
                                          analysis
                               Evaluation of
                         Interference and QoS

Approccio di condivisione

 Possibile condivisione dello spettro sulla base di separazione geografica e/o
  frequenziale e/o temporale

 Approccio di condivisione database assisted (database dinamico) eventualmente
  potenziato con tecniche di sensing (double green)

 Predisposizione di valutazioni di impatto e di coesistenza in casi tipici che servono per
  il successivo popolamento del database

 Sviluppo del geolocation database: area geografica e tipologia di utilizzazione
  consentita (es. potenza consentita, raggio di copertura, tipologia nuovo servizio)

      Aggiornamento del geolocation database su base temporale
      Definizione della tipologia e formato delle informazioni del database

 In fase di autorizzazione si devono riportare le condizioni d’uso dei servizi e le
  capacità necessarie per l’accesso al geolocation database e eventualmente i requisiti
  cognitive per il double green

Implementazione geolocation database

      Selezione canale                               GEO-LOCATION DATABASE

 Informazioni su incumbent
                                                No
   Analisi di propagazione
                                                           Si
    Identificazione area           Fine analisi canali ?        Fine
geografica di possibile utilizzo
       per altri servizi

 Determinazione valori EIRP
   nuovi servizi nell’area

Aggiornamento Look
              Look-up table
         database

Combinazione geolocation database e
                          spectrum sensing
                             Canale “X”

Pixel          Coordinate Pixel
                                          ENG EIRP- Tipologia servizio–
         Est                  Nord             Raggio copertura

 1      421700              200200                     ---
                                                                               Spectrum Sensing
 2      421800              200200                     ---

 3      421900              200200                     ---

                                                                                               Rete

                                                                          Nuovo servizio
                                                                                             primaria

                                          Geo-location
                                           Database

                                     GEO-LOCATION                                                 SPECTRUM SENSING
                                       DATABASE

Conclusioni e sviluppi futuri

   Sono state analizzate le potenzialità dell’accesso condiviso allo spettro in ottica 5G considerando
    diversi approcci e metodologie (sensing, geolocation database, LSA)

   E’ stato discusso il potenziale d’uso di bande libere per tecnologie radiomobili innovative 4.5G e
    5G: le gamme di frequenza che oggi appaiono maggiormente promettenti sono la 5 GHz e la 60
    GHz

   Per rendere praticabile l’impiego delle diverse tecnologie ci sono ancora molti ambiti di studio da
    indagare e molti quesiti ancora aperti, relativi sia al tema della propagazione radiomobile che
    della coesistenza tra servizi che concorrono per l’uso della medesima banda

   Questi ambiti di indagine richiedono interventi in tempi piuttosto rapidi, in considerazione proprio
    della altrettanto rapida evoluzione dei sistemi mobili, così da ampliare le conoscenze oggi
    disponibili e alimentare adeguatamente i processi di standardizzazione e di regolazione necessari

   Gli studi richiesti rientrano perfettamente nel campo delle competenze disponibili presso l’ISCOM
    e la FUB, perciò è possibile individuare un percorso di ulteriori indagini da svolgere
    congiuntamente a supporto dell’introduzione e dello sviluppo del 5G

   Tali studi richiedono approfondimenti di tipo teorico e sperimentale che potrebbero essere svolti
    anche in relazione alla piattaforma end-to-end per il 5G di cui l’ISCOM e la FUB si stanno
    occupando nel progetto “5G E2E”