Sfide del 5G e tecnologie 'Beyond 5G' (I parte)
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Sfide del 5G e tecnologie ‘Beyond 5G’
(I parte)
Francesco Vatalaro
Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa “Mario Lucertini”
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Ministero dello Sviluppo Economico - Comunicazioni, Roma
Roma, 16 aprile 2018
© 2018 F. Vatalaro, All Rights Reserved 1
Contents
1. 5G timeline and requirements
2. New services
3. The latency requirement
4. The connectivity requirement
2
5G timeline in 3GPP and ITU
5G studies specification enhancements product launch
(specs first release) (officially frozen specs)
March 2016 June 2017 Sept. 2018 March 2021
Dec. 2020
(functionally frozen specs)
spectrum < 6 GHz spectrum > 6 GHz
IMT vision IMT spectrum requiremens
1. 5G timeline and requirements 3
5G requirements (comparison with 4G)
User data rate
(Mbit/s) Area traffic capacity
Connection density 103 (Mbit/s/m2)
(km-2)
106 102
10
0.1
105
10 1x 3x
Battery life
(years)
1 Spectrum efficiency
(bit/s/Hz)
four 9 400
99.999
(five 9) 10 500
Legend:
5G (overall) Reliability (%) Mobility (km/h)
1
Advanced 4G
Latency (ms)
1. 5G timeline and requirements 4
Latency requirements for new 5G services
New services
GSMA service map
Applications such as immersive gaming, augmented reality, autonomous vehicles, etc.
(grey section of Figure) are examples of previously not possible use-cases.
1. 5G timeline and requirements 5
Tactile Internet
Operatori con interfaccia Trasmissione via Nucleo di rete e accesso radio per Periferia tattile composta,
tattile uomo-macchina Internet di informazioni assicurare le telecomunicazioni e il ad esempio, di robot
(può essere distribuita) audiovisive e tattili motore intelligente di supporto tattile comandati da sito remoto
Il dispositivo tattile consente all'utente di Un teleoperatore controllato dal dominio master attraverso
toccare, sentire, manipolare oggetti in segnali di comando (nessuna conoscenza a priori
ambienti reali e virtuali, e controllarne il dell’ambiente) che fornisce segnali di feedback, chiudendo
funzionamento in un dominio controllato. così un circuito di controllo globale.
Rappresentazione funzionale dell’architettura “Tactile Internet”.
2. New services 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
Requisito di latenza
fra 10 ms e 1 ms.
• 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
Download time
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• Web page test per caricare la home-
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Bruxelles il 12 marzo 2017 con Google
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www.webpagetest.org
3. The latency requirement 10Misure di latenza in reti 4G
DHCP= network server that automatically assigns IP addresses
(a) (b)
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.
3. The latency requirement 115G 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).
Del 5G sono previste due fasi:
• Rel-15 sarà la “phase 1” (lancio 2019-2020)
• Rel-16 sarà la “phase 2” (lancio 2021).
https://www.edn.com/5G/4458325/What-is-5G-NR-
3. The latency requirement 12Ridurre 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
5G NR
Target
Source: Ericsson, 2017
3. The latency requirement 13Avvicinare le funzioni all’end-user
S. Mangiante (Vodafone), "Fog and Edge Computing in telecom networks", 2017 presentation
3. The latency requirement 14Evoluzione verso le architetture virtualizzate
Current
End-user Backhaul Mobile Core
devices Architecture
Network
S1 MME
Big Internet
PGW
~ Ten nodes
SGW
S1
OTT
Aggregation Network EPC - Evolved Content/App
Packet Core Server
Tens of
Thousands sites L3 IP Transport NOT visible L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed)
End-user Fronthaul Access Backhaul Mobile Core Virtualized
devices Network Network Architecture
BBU
RRH pool Virtualization
S1
MME
RRH Ir EPC
Virtualization Aggregation Network Big Internet
V-EPC
X2 PGW
RRH
S1
RRH SGW
BBU QoE platform
pool OTT
Content/App
RRH
Server
Cloud
Cloud RAN
L3 IP Transport L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed)
Note: BBU = Base Band Unit; RRH = Remote Radio Head; MME = Mobility Management Entity; SGW = Serving Gateway; PGW = PDN Gateway
3. The latency requirement 15Problema 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)
4. The connectivity requirement 16Architetture 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.
4. The connectivity requirement 17Proposte per il B5G M.Alzenad et al.,"FSO-Based Vertical Backhaul/Fronthaul Framework for 5G+ Wireless Networks", IEEE Communic. Mag., Jan. 2018 4. The connectivity requirement 18
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