Evoluzione dell'accesso

L’articolo propone una sintesi delle architetture e delle tecnologie per le redi di accesso fissa e mobile. Partendo da una panoramica delle soluzioni attualmente in campo per l’accesso broadband, si descrivono le architetture e le tecnologie evolutive per entrambi i tipi di rete di accesso e se ne evidenzia la naturale convergenza in un’ottica di sinergia per le reti di nuova concezione 5G. La progressiva diffusione di collegamenti in fibra in rete di accesso, oltre a premettere offerte ultrabroadband per l’accesso fisso, abilita anche la realizzazione di reti wireless sempre più performanti e diffuse, che permetteranno la fruizione di servizi con accesso ad altissima velocità anche in mobilità, annullando, nella percezione dei clienti, la distinzione tra rete fissa e mobile.

 

Introduzione

Negli ultimi anni la richiesta di servizi a larga banda ha avuto una crescita esponenziale spinta da un lato dalla sempre maggior esigenza di vivere socialmente “connessi”, dall’altro dall’imporsi di esigenze di fruizione di contenuti video di altissima qualità. Come noto la normativa Europea ha colto queste esigenze presentando “l’agenda digitale europea” che è una delle iniziative di riferimento della strategia Europa 2020: l’obiettivo da raggiungere è offrire connettività ad almeno 30 Mbit/s con copertura del 100% della popolazione ed avere almeno il 50% della popolazione connessa a 100 Mbit/s.
Contemporaneamente le abitudini d’uso, l’incremento delle prestazioni e delle dimensioni dei terminali, e la diffusione di dispositivi controllati in remoto (Internet of Things) impongono nuovi requisiti alla rete mobile in termini di volumi di traffico, numero di dispositivi collegati e prestazioni. Le tecnologie mobili rendono disponibili prestazioni molto simili a quelle ottenibili sulla rete fissa: i clienti si aspettano di essere sempre connessi con elevate prestazioni a prescindere dalla rete alla quale sono collegati: in questo senso la differenza tra servizi mobili e fissi, nella percezione del cliente, tende a scomparire ed essere sostituita dalla nozione di “migliore prestazione possibile” ottenibile in un dato luogo.
Questo scenario ha imposto una forte accelerazione all’evoluzione sia delle architetture di rete fissa e mobile sia delle tecnologie abilitanti a supporto di tali architetture.

 

Evoluzione delle architetture in rete di accesso

Per far fronte alle esigenze imposte dal mutato contesto di riferimento, gli operatori di telecomunicazioni nei vari Paesi hanno adottato differenti scelte tecnologiche e architetturali, condizionate da vari fattori quali:

  • la struttura della loro rete di accesso fisica (es. lunghezza dei collegamenti, tipo/caratteristiche/obsolescenza degli apparati impiegati);
  • regolamentazione esistente e livello di competizione;
  • aspetti economici (es. disponibilità di contributi pubblici per lo sviluppo dei servizi TLC).

Al di là di tali fattori, tutti gli attori del settore TLC sono unanimemente concordi nel considerare ineludibile la necessità di rendere sempre più capillare e pervasiva la diffusione della fibra ottica nella rete di distribuzione. La disponibilità della fibra in rete di accesso abilita anche la realizzazione di reti mobili dotate di prestazioni sempre maggiori e presenza sempre più capillare.
Questo orientamento è condiviso sia per quanto concerne lo sviluppo delle architetture di rete fissa, sia per lo sviluppo e l’evoluzione delle tecnologie mobili: si viene pertanto a prefigurare una naturale sinergia e convergenza nello sviluppo delle reti fisse e mobili.

 

Figura 1 - Architetture di rete di accesso fisso

Architetture di rete di accesso fisso

Come anticipato, l’evoluzione delle tecnologie di accesso è caratterizzata da una progressiva introduzione della fibra ottica, con l’obiettivo di raggiungere nel lungo periodo gli utenti direttamente in fibra.
Questo obiettivo tuttavia verrà raggiunto gradualmente, valorizzando il più possibile l’attuale rete di distribuzione in rame, che costituisce ancora un patrimonio e un asset strategico per gli operatori del settore (per quanto riguarda il contesto italiano basti pensare ai 570 mila km di cavo, ai 102 milioni di coppie in rame o ai 152 mila armadi ripartilinea), grazie alla sua capillarità; al di là dell’aspetto economico, l’adozione di architetture che sfruttano la rete in rame esistente, costituisce un importante vantaggio in termini di mercato, consentendo di accelerare i tempi di sviluppo e dispiegamento della rete così da raggiungere nel più breve tempo possibile il maggior numero di potenziali clienti.
Il naturale percorso evolutivo che si è venuto a delineare pertanto vede un progressivo avvicinamento dell’infrastruttura in fibra al cliente finale associato all’adozione di tecnologie trasmissive in rame che, sfruttando le distanze via via più brevi da coprire, consentono di assecondare la richiesta di connettività a velocità sempre maggiori; tale percorso evolutivo si articola nei seguenti passi:

  • FTTE (Fiber To The Exchange);
  • FTTCab (Fiber To The Cabinet);
  • FTTdP (Fiber To The distribution Point);
  • FTTH (Fiber To The Home).

L’architettura FTTE è stata adottata nella seconda metà anni ‘90 primi anni di introduzione sul mercato di accessi a larga banda, ed associata alla tecnologia ADSL ha consentito a milioni di utenti iniziare a sperimentare le opportunità offerte dai servizi a larga banda; le lunghe tratte di rete in rame e lo stato della tecnologia (ADSL 20/1 Mbit/s Downstream/Upstream rispettivamente) tuttavia, non consentiva di raggiungere i target di prestazioni che il mercato andava chiedendo.
Negli anni successivi (a partire circa dal 2010) lo sviluppo della tecnologia VDSL ha consentito una prima importante evoluzione architetturale che prevede l’installazione dell’elettronica a livello di armadio ripartilinea; l’architettura FTTCab prevede infatti di raggiungere un’unità remota ONU (Optical Network Unit) con un collegamento in fibra ottica dedicato in grado di portare fino a 1 Gbit/s simmetrico. La tratta in rame da coprire in questo caso è solo quella della rete di distribuzione secondaria a valle dell’armadio ripartilinea e le velocità raggiungibili crescono in modo significativo, consentendo di avvicinarsi ai target imposti dall’agenda digitale Europea.
In questo periodo di tempo le soluzioni di collegamento puramente in fibra (architetture FTTH) sono state marginali in termini di consistenza, ma molto rilevanti in termini di mercato, essendo queste rivolte a un’utenza particolarmente pregiata (es. collegamenti punto-punto dedicati per utenza business, applicazioni di Backhauling di stazioni radiobase della rete mobile, …), oppure per clientela residenziale in aree selezionate e circoscritte del territorio (collegamenti punto-multi-punto con tecnologia trasmissiva GPON).
Inoltre nell’immediato futuro è previsto un forte allargamento del bacino di utenza a cui offrire connettività FTTH, adottando una topologia di distribuzione ottica punto-multipunto PON (Passive Optical Network) basata su diramatori ottici passivi a divisione di potenza (power splitter) associata alla tecnologia GPON e alle sue evoluzioni (XG-PON/XGS-PON/NG-PON2: vedi riquadro dedicato). Questa ulteriore evoluzione architetturale potrà assecondare le richieste di connettività presenti e future, consentendo di andare anche oltre gli attuali obiettivi previsti dall’Agenda Digitale Europea, e costituirà anche un importante elemento di sinergia tra lo sviluppo della rete di accesso fissa e mobile, offrendo a quest’ultima gli strumenti trasmissivi ed infrastrutturali necessari per il backhauling/fronthauling di micro/nano celle diffuse capillarmente sul territorio.
Un’altra architettura che sta raccogliendo sempre maggiore interesse tra gli Operatori è quella FTTdP (Fiber To The distribution Point): questa è caratterizzata dall’adozione di un’unità attiva nelle immediate prossimità dell’utente (es. all’ultimo distributore della rete in rame, alla base dell’edificio o sul marciapiede o in un pozzetto subito al di fuori di un edificio). L’ultima tratta della rete in rame da coprire in questo caso sarà molto breve (50-150m) e potrà pertanto essere adottata un’innovativa tecnologia trasmissiva in rame in fase di sviluppo (G.fast) ottimizzata per queste brevi distanze.
Un altro elemento caratterizzante l’architettura FTTdP è l’adozione dell’alimentazione dell’apparato direttamente da casa del cliente RPF (Reverse Power Feeding): in questo caso il singolo cliente eroga dalla propria abitazione l’energia necessaria ad alimentare l’interfaccia trasmissiva in rame a lui dedicata e contribuisce all’alimentazione delle parti comuni dell’apparato. L’interesse per questa architettura discende dal fatto che consente di superare i problemi legati ad eventuali difficoltà impiantistiche nel realizzare in fibra ottica l’ultimo tratto di rete (rete di edificio e/o rete in casa utente), e supera l’esigenza di predisporre un punto di fornitura di energia elettrica per strada o in aree comuni alla base dell’edificio.

 

Architetture di rete di accesso mobile

Le reti mobili hanno visto un rapido sviluppo della tecnologia attraverso varie generazioni di reti e di terminali: a partire dai primi anni ‘90 si sono avvicendate quattro fasi principali (analogico, 2G–GSM, 3G–UMTS e 4G–LTE), a loro volta sviluppate attraverso la continua introduzione di miglioramenti tecnologici soprattutto orientati al miglioramento delle funzionalità di trasmissione dati [10] .
La rete 4G–LTE è diventata commerciale alla fine del 2012: da allora è stata arricchita da varie funzionalità LTE Advanced [11, 12] che ne hanno ulteriormente incrementato le prestazioni. In particolare grazie alla Carrier Aggregation, a due e a tre portanti, oggi è possibile raggiungere la velocità di 300 Mbit/s in downlink ed è stata recentemente dimostrata in campo anche la possibilità di raggiungere i 75 Mbit/s in uplink [13 e 14].
Lo sviluppo della rete radiomobile è ora focalizzato sull’ampliamento della copertura LTE, oggi in Italia pari al 91% della popolazione, e sul continuo incremento delle prestazioni e della capacità. La rete LTE di TIM utilizza oggi le bande 800 MHz, 1800 MHz e 2600 MHz, ma in futuro potrà ulteriormente ampliare la sua capacità, utilizzando anche altre porzioni di spettro oggi in uso da altri sistemi (per esempio la 2100 MHz, attualmente impiegata per il 3G UMTS), o appositamente assegnate al 4G (per esempio la banda L, intorno a 1500 MHz in modalità supplementary downlink recentemente assegnata anche in Italia).
Dal punto di vista architetturale, le reti mobili sono prevalentemente basate su siti macro collegati alla rete core in fibra ottica, o in alcuni casi attraverso ponti radio, attraverso la rete di trasporto. I siti radiomobili ospitano alcuni elementi funzionali: l’antenna, la sezione a radiofrequenza (spesso indicata come RRU (Radio Remote Unit)) e la sezione di banda base, dedicata all’elaborazione dei segnali (indicata come BBU (Base Band Unit). Il collegamento tra radiofrequenza e banda base viene comunemente indicato con il termine fronthauling per differenziarlo dal backhauling, ovvero la connessione che dal sito va alla core network.
Questa architettura, indicata come distribuita, viene attualmente utilizzata nelle reti mobili in modo del tutto generalizzato: la maggior parte dei circa 20.000 siti della rete TIM è realizzata in questo modo. Tuttavia le prestazioni LTE Advanced per essere utilizzate nel modo migliore, richiederebbero il coordinamento di più siti attraverso l’impiego della stessa banda base. Per esempio la Carrier Aggregation oggi funziona solo con portanti gestite dalla stessa banda base: in una architettura distribuita i terminali ricevono e aggregano quindi i soli segnali provenienti da uno stesso sito. In questo modo la prestazione è disponibile in aree limitate, definite dalle caratteristiche propagative della frequenza più alta. Analogamente anche le funzionalità di coordinamento dei segnali e cancellazione dell’interferenza, quale per esempio il CoMP (Coordinated Multi Point), che permettono il miglioramento delle prestazioni soprattutto a bordo cella, richiedono che le antenne che vengono coordinate siano collegate alla stessa banda base: nel caso di un’architettura distribuita i benefici effettivi di miglioramento delle prestazioni si ottengono in aree molto limitate.
La possibilità di centralizzare la banda base che gestisce più siti offre vari benefici ulteriori: gli apparati sul sito di antenna sono meno numerosi, meno voluminosi e consumano meno energia. Gli apparati centralizzati permettono una migliore condivisione statistica delle risorse elaborative (pooling gain): in pratica si ottiene un dimensionamento più efficiente della rete di accesso radio.
Per poter sfruttare nel modo migliore le funzionalità LTE Advanced, ottenendo per esempio un’ampia disponibilità della velocità massima di trasmissione ottenibile con la Carrier Aggregation e il miglioramento delle prestazioni a bordo cella, è indispensabile quindi centralizzare le bande base dei siti, consentendo il coordinamento tra di essi. Questa architettura è il punto di arrivo di due passaggi:

  • Centralizzazione della banda base: i moduli sono spostati in una sede opportuna (es. centrale); questa architettura è in genere definita Centralized RAN (o baseband hotel).
  • Coordinamento della banda base: i moduli oltre a essere centralizzati, sono realizzati in modo da coordinarsi tra loro, ottimizzando le prestazioni delle funzionalità LTE Advanced; questa architettura è generalmente definita Cloud RAN.
 

Figura 2 - Evoluzione della rete di accesso radio verso CRAN e VRAN

I moduli di banda base e i moduli di radiofrequenza sono collegati attraverso un collegamento generalmente in fibra ottica, o più raramente in ponte radio appositamente progettato, con un’interfaccia in grado di trasportare e ricostruire il segnale radio: l’interfaccia nata per i sistemi mobili delle precedenti generazioni, chiamata CPRI, è tuttavia particolarmente inefficiente per le reti 4G. Ogni 20 MHz di spettro radio sono richiesti 2,5 Gbit/s sul fronthauling , con vincoli di latenza massima dell’ordine della decina di microsecondi: siti multi cella e multifrequenza richiedo quindi capacità trasmissive molto elevate, rendendo l’interfaccia CPRI, definita per applicazioni in contesti diversi, non adatta per realizzare una Cloud RAN 4G in modo efficiente.
Per queste ragioni, da alcuni anni sono in corso attività di ricerca e prototipazione sul tema functional split, ossia la ripartizione più efficiente delle funzionalità tra modulo di banda base e di radiofrequenza, cercando da un lato di ridurre i requisiti di banda (portandoli a valori vicini alla capacità trasportata), e di latenza (arrivando a valori dell’ordine dei millisecondi), dall’altro cercando di mantenere il più possibile le prestazioni LTE Advanced simili a quelle ottenibili in architetture tradizionali Cloud RAN con CPRI. Le migliori soluzioni di functional split consentono di ottenere elevate prestazioni LTE Advanced utilizzando per il fronthauling un trasporto basato su Ethernet: richiedono il trasporto della capacità da trasmettere in aria e un overhead dell’ordine del 20%, e possono funzionare correttamente con una latenza dell’ordine di alcuni millisecondi.
La centralizzazione delle bande base permette un ulteriore passaggio architetturale: le tecnologie di virtualizzazione rendono possibile la realizzazione della bande base su hardware commerciale in modalità NFV. L’utilizzo di un fronthauling efficiente basato su Ethernet e la virtualizzazione della bande base permettono il passaggio dalla Cloud RAN alla Virtual RAN.
L’architettura Virtual RAN rende possibili contemporaneamente numerosi vantaggi:

  • centralizzazione e coordinamento delle bande base, con i benefici in termini di prestazioni e risparmi già evidenziati per l’architettura Cloud RAN;
  • fronthauling efficiente, che consente la realizzazione dell’architettura limitando gli investimenti a livello di trasporto (sostanzialmente basato su Ethernet);
  • impiego di tecnologie di tipo IT e soluzioni NFV, con vantaggi in termini si scalabilità, costi e resilienza.
 

Figura 3 - Evoluzione verso Virtual RAN

TIM ha recentemente sperimentato una soluzione VRAN (15), che costituirà il riferimento architetturale per l’evoluzione e la trasformazione della rete di accesso mobile. La tecnologia VRAN infatti consente di realizzare la rete di accesso radio con prestazioni migliori e contemporaneamente costi inferiori, e costituisce anche un elemento architetturale determinante per la futura architettura 5G in corso di definizione negli enti di standardizzazione.
L’introduzione in rete di un’architettura Virtual RAN si combina bene con il concetto di functional split precedentemente introdotto, permettendo di lasciare alcune funzioni (tipicamente quelle che richiedono maggiore capacità di processing) sul modulo di radiofrequenza.

 

Figura 4 - Functional split, le possibili alternative

La figura 4 illustra i possibili punti di separazione funzionale: un’elevata centralizzazione impone stringenti requisiti di banda e di latenza, ma permette anche i massimi benefici prestazionali. Al contrario, trasferendo un maggior numero di funzionalità in prossimità della radiofrequenza, si possono minimizzare i requisiti trasmissivi, pur mantenendo guadagni prestazionali importanti.
La definizione del functional split ottimale costituisce pertanto un fattore di successo determinante per le architetture Cloud e Virtual RAN.
Se infatti la ripartizione funzionale è opportunamente selezionata la soluzione VRAN è applicabile all’attuale architettura di siti macro, aumentando capacità e prestazioni della rete a parità di frequenze e siti, minimizzando quindi gli investimenti legati allo sviluppo della rete. La capacità della rete di accesso radio potrà poi essere ampliata introducendo nuove frequenze, per esempio quelle liberate da sistemi progressivamente obsoleti (es. refarming frequenze 2G e 3G) e la realizzazione di ulteriori siti.
Ulteriori ampliamenti di capacità potranno essere realizzati anche attraverso l’impiego di small cell, creando delle reti eteogenee: anche le small cell, per esempio di tipo micro e pico, potranno essere collegate ad un’architettura VRAN, mantenendo i benefici di coordinamento e ottimizzazione delle prestazioni.
L’evoluzione della rete di accesso mobile richiede anche di predisporre soluzioni in grado di rendere possibili servizi di tipo Internet of Things (IoT): accanto alle prestazioni ultrabroadband offerte da LTE Advanced, la rete 4G deve anche permettere comunicazioni tra oggetti in modo efficiente. In particolare esiste una crescente esigenza di collegare dispositivi che generano poco traffico e richiedono bande di trasmissione modeste, ma sono estremamente numerosi e caratterizzati da specifici requisiti di copertura.
Lo standard 3GPP di LTE prevede un’estensione, chiamata NB-IoT, proprio per soddisfare queste esigenze. Grazie a questa tecnologia la rete 4G LTE potrà essere utilizzata anche per avviare una nuova gamma di servizi legati all’Internet of Things.
Anche la tecnologia NB IoT costituisce un anticipo del futuro standard 5G: le funzionalità della rete 4G LTE vengono ampliate per soddisfare nuove esigenze di servizio. TIM ha recentemente avviato la sperimentazione e lo sviluppo di questa tecnologia [16].

 

 

Conclusioni

Le reti di accesso fissa e mobile continuano a vivere un percorso di innovazione molto rapido e sempre più strettamente correlato. Le abitudini d’uso e le caratteristiche dei terminali, tendono a fare percepire in modo sempre più integrato l’accesso da rete fissa e da rete mobile. Le prestazioni richieste dalla rete mobile rendono sostanzialmente indispensabile la disponibilità di una rete fissa capillare e con elevate prestazioni. In particolare il percorso di trasformazione della rete di accesso radio verso architetture di tipo Cloud e Virtual RAN impone l’utilizzo di collegamenti in fibra per unire i siti, e i relativi apparati a radiofrequenza, con gli apparati di banda base centralizzati. Successivamente, l’evoluzione della rete di accesso mobile verso reti eterogenee, ossia con ampio utilizzo di small cell, incrementerà ulteriormente la presenza dei siti mobili rendendoli capillari. Lo sviluppo della rete mobile futura, anche in vista della prossima generazione, detta 5G, si basa pertanto sulla presenza di una rete di accesso fissa ad altissime prestazioni.

 

Acronimi

DPU - Distribution Point Unit
eMBMS
- evolved Multimedia Broadcast Multicast Services
FDD
- Frequency Division Duplexing
FEXT
- Far End Cross Talk
FTTCab
- Fiber To The Cabinet
FTTdp
- Fiber To The distribution point
FTTE
- Fiber To The Exchange
FTTH
- Fiber To The Home
LTE
- Long Term Evolution
LTE-A
- Long Term Evolution – Advanced
PON
- Passive Optical Network
RPF
- Reverse Power Feeding
TDD
- Time Division Duplexing

 

Bibliografia

  1. Tecnologia VDSL2 e Enhanced VDSL2:  “Very high speed digital subscriber line transceivers 2 (VDSL2)”, Raccomandazione ITU-T G.993.2, Gennaio 2015 e Amendment 1, Novembre 2015.
  2. Vectoring: “Self-FEXT cancellation (vectoring) for use with VDSL2 transceivers”, Raccomandazione ITU-T G.993.5, Aprile 2010.
  3. Sistemi GPON: serie di Raccomandazioni ITU-T G.984.1 – G.984.7, G.988
  4. Sistemi XG-PON: serie di Raccomandazioni ITU-T G.987, G.987.1 – G.987.4, G.988
  5. Sistemi NG-PON2: serie di Raccomandazioni ITU-T G.989, G.989.1-G.989.3
  6. Le reti ottiche e la loro evoluzione negli standard”, G. Ferraris, L. Pesando, M. Valvo - Notiziario Tecnico TI 2/2015
  7. Evoluzione tecnologica per la rete NGAN”, P. Cinato, F. Marigliano, M. Valvo – Notiziario Tecnico TI 2/2012
  8. Tecnologia FAST: serie di Raccomandazioni ITU-T G9700-9701
  9. Sistemi XGS-PON: Raccomandazione ITU-T G.9807.1
  10. Easy LTE, P. Semenzato (a cura di),
    http://www.telecomitalia.com/tit/it/innovation/books/easy-lte.html
  11. "Da LTE a LTE-ADVANCED: l’evoluzione tecnologica", U. Ferrero, M. Gamberini, Notiziario Tecnico Telecom Italia 2/2013
  12. "Il mobile broadcast", D. Angelicone, U. Ferrero, M. Gamberini, F. Gatti, Notiziario Tecnico Telecom Italia 3 /2014
  13. "TIM: accelera nello sviluppo della tecnologia LTE e porta le connessioni fino a 300 Mbit al secondo" http://www.telecomitalia.com/tit/it/archivio/media/note-stampa/market/2015/tim-lte-three-carrier-aggregation.html
  14. "TIM sperimenta a Palermo il 4G Plus superveloce anche in upload" http://www.telecomitalia.com/tit/it/archivio/media/note-stampa/market/2016/TIM-Dual-Carrier-Aggregation-Palermo.html
  15. "TIM tests Virtual Radio Access Network technologyhttp://www.telecomitalia.com/tit/en/archivio/media/note-stampa/market/2016/TIM-test-VRAN-Technology.html
  16. "TIM e Huawei: accordo per lo sviluppo sulla rete mobile di soluzioni dedicate all’Internet of Things" http://www.telecomitalia.com/tit/it/archivio/media/note-stampa/market/2016/TIM-Huawei-MoU-21-02-2016.html
  17. "Mobile Trends: Self-Organizing Networks",
    S. Bizzarri, A. Buldorini, G. Catalano, Notiziario Tecnico Telecom Italia 2/2014
  18. "L’evoluzione dell’accesso radio LTE"
     A. Buldorini, M. Fodrini, G. Romano, Notiziario Tecnico Telecom Italia 2/2015
 

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