5G: una rivoluzione sistemica

Il 5G come sistema

Il 5G sarà molto più di un’evoluzione lineare della rete mobile LTE con nuovi sistemi di accesso e core, maggiore banda, migliori prestazioni e ridotti consumi. In una frase, il 5G si preannuncia come un’innovativa piattaforma di rete e servizi end-to-end capace di soddisfare le future richieste dei mercati consumer e business della Società Digitale. Dunque il 5G come “rivoluzione sistemica”, espressione della maturazione e della convergenza di una serie di trend tecnico-economici, quali: la diffusione e “trasparenza” dell’accesso ultra-broadband fisso-mobile, lo straordinario aumento delle prestazioni dei sistemi hardware (accompagnato dal contemporaneo abbattimento dei costi), la diffusione di soluzioni e piattaforme software in open source, l’evoluzione del Cloud Computing verso Edge e Fog Computing, i progressi dell’Intelligenza Artificiale e lo sviluppo di terminali, e smart thing, sempre più potenti in termini di capacità di comunicazione, elaborazione e memorizzazione.
Questo è infatti quanto emerge dai progetti internazionali di innovazione (e.g., H2020 5GPPP), dalle attività nei vari enti e forum di Standardizzazione (e.g., 3GPP, ITU-T, ONF, GSMA, ETSI, IETF, IEEE ecc) e dai movimenti di mercato (ad es., creazione ed acquisizione di start-up).
È convinzione diffusa che SDN ed NFV saranno duedue delle principali tecnologie del 5G, abilitanti rispettivamente il disaccoppiamento del software dai sistemi hardware e con la virtualizzazione di buona parte delle funzionalità di rete (figura 1).  Queste tecnologie conferiranno al 5G alti livelli di flessibilità e programmabilità (ad es., attraverso API).
L’infrastruttura di rete acquisterà così una nuova “plasticità” tale da renderla capace di adattarsi rapidamente ed in maniera efficace alle richieste del mercato: infatti, da un’architettura di rete relativamente statica e chiusa si passa ad un modello con due livelli di definizione, quello hardware e quello software.

 

Figura 1 - Il cambio di paradigma portato dall’introduzione di tecnologie come SDN ed NFV (fonte: GSMA “Unlocking Commercial Opportunities: From 4G Evolution to 5G”, 2016)

Il software, inoltre, tende a diventare open source e l’hardware di tipo standard, quindi a costi sempre più bassi. Dunque, in futuro, l’Operatore di rete quindi passerà dal dover gestire apparati e sistemi chiusi (con software proprietario ed l’hardware specializzato), ad una crescente moltitudine di processi e funzionalità software, dinamicamente allocabili su hardware distribuito (dal Cloud Computing nei Data Centre centralizzati, ai mini-Data Centre nei PoP all’edge della rete).
Infatti è ormai opinione diffusa che le traiettorie tecnologiche di SDN ed NFV intercetteranno la contemporanea evoluzione del Cloud Computing verso l’Edge e Fog Computing: un trend, quest’ultimo, che  contribuirà ad alimentare spostamento delle risorse fisiche, logiche e quindi dell’intelligenza di rete e servizio, verso le zone più periferiche della rete, più vicine agli Utenti, addirittura fino ai terminali. È dimostrato infatti che l’integrazione dei sistemi di Edge e Fog Computing [1], [2] nell’infrastruttura 5G costituirà un fattore essenziale per abbassare i tempi di latenza richiesti dai servizi digitali del futuro.
In questo scenario di trasformazione digitale, il Data Analytics assume un ruolo chiave. La figura 2 illustra un esempio di utilizzo di un’applicazione RAN Data Analytics, eseguita da sistemi di Edge Computing, per ottimizzare le prestazioni di servizi video. In particolare, la RAN Data Analytics fornisce al video content server una stima in tempo reale del throughput effettivamente disponibile verso l’Utente: questa informazione viene quindi usata per ottimizzare le prestazioni del TCP e per assicurare che la codifica video si adatti alla capacità downlink istantanea. Migliora la qualità del servizio percepita e contemporaneamente si garantisce un’ottimizzazione nell’utilizzo delle risorse della rete radio.

 

Figura 2 - Esempio di utilizzo di Edge Computing per ottimizzare le prestazioni di servizi video (fonte: [3] )

La nuova “plasticità” infrastrutturale del 5G, acquisibile dall’introduzione di SDN ed NFV con sistemi di Data Analytics, ha tuttavia un rovescio della medaglia: infatti, se la virtualizzazione delle funzionalità di rete e servizio, da un parte aumentano flessibilità e programmabilità, dall’altra aprono una nuova forma di “complessità” nella gestione delle risorse e dei processi di rete. Si pensi, ad esempio, l’allocazione e l’orchestrazione dinamica delle funzioni virtuali, in risorse logiche distribuite, la gestione del loro ciclo di vita, l’ottimizzazione dei percorsi del traffico (ad es., traffic steering) nella costruzione delle service chain.
In altre parole, se le le centrali diventeranno dei Data Centre [4] ed il computing sarà sia centralizzato sia distribuito fino all’edge dell’infrastruttura, è evidente che sarà necessario un elevato livello di auto-configurazione ed automazione nei processi di accounting, monitoring delle prestazioni, sicurezza, provisioning ovvero, in tutte le funzionalità di Operations del 5G.
A tal fine, oggi c’è un forte interesse sull’estensione ed utilizzo del paradigma DevOps per le reti di domani [5]; inoltre si sta già guardando a come integrare in DevOps metodi di Machine Learning ed Intelligenza Artificiale. L’enorme disponibilità di dati di rete, dal numero dei possibili allarmi, agli eventi, ai log al minuto, rende infatti impossibile ai soli operatori umani un’analisi efficace, secondo le molteplici metriche disponibili di utilizzo a disposizione, e soprattutto un’attuazione decisionale rapida. Stanno così nascendo le soluzioni dette A.I.2 (Artificial Intelligence al quadrato) dove l’analisi dell’operatore umano è supportata, in fase decisionale, da sistemi di Intelligenza Artificiale.
I sistemi Intelligenza Artificiale troveranno applicazione anche per gestire la sicurezza di rete, aspetto che dovrà essere affrontato by-design. La figura 3 riporta un esempio: in particolare il sistema integra le capacità di un operatore esperto nel rilevare le situazioni a rischio con una piattaforma di data analytics in grado progressivamente di apprendere (supervised e unsupervised learning) [6] ed agire autonomamente.

 

Figura 3 - A.I.2: esempio di utilizzo dell’Intelligenza Artificiale per sicurezza (fonte: [3])

Ma Intelligenza Artificiale sarà presente nel 5G anche secondo un’altra prospettiva: lo sviluppo di terminali sempre più potenti, per capacità di comunicazione, processing e storage, sta aprendo la concreta possibilità di dotare i terminali con euristiche e metodi di Intelligenza Artificiale1 eseguiti anche localmente. Non si tratta solo di agenti virtuali e chatbots capaci di rispondere (anche verbalmente) alle persone nella loro lingua madre, ma anche di sistemi di robotica distribuita, o guida automatica. In effetti, si prevede [7] che al 2025 il numero di Utenti non-human del 5G, (ad es., macchine o processi software) saranno uno/due ordini di grandezza più numerosi degli Utenti umani. È facile immaginare che questi Utenti non-human, dotati di una loro Intelligenza Artificiale, saranno in grado di richiedere autonomamente connettività e servizi 5G, secondo veloci dinamiche.
In sintesi, il 5G si preannuncia come una trasformazione profonda delle reti di telecomunicazioni, abilitata dall’integrazione di tecnologie quali SDN, NFV, Cloud-Edge-Fog Computing anche con Data Analytics ed Intelligenza Artificiale. Tutto questo porterà ad una profonda trasformazione digitale del business di molte industrie, non solo di telecomunicazioni. Ha senso dunque parlare del 5G secondo una prospettiva sistemica, come un nuovo ed emergente ecosistema che coinvolge non solo Operatori di Rete, Fornitori di Servizi ed Applicazioni, Fornitori di tecnologie, ma anche comunità sempre più estese di sviluppatori software in Open Source, Università, Piccole Medie Imprese, reti sociali ecc.  

 

Architetture “a prova” di traffico video

Si stima che al 2020 i contenuti video costituiranno circa l’80% del traffico trasportato dalle reti degli Operatori.  Infatti alla crescita dei servizi video lineari (ad es., la tradizionale televisione analogica) si affiancano sempre più i cosiddetti servizi video non lineari, ovvero fruibili su richiesta dinamica dell’utente (ad es., contenuti di tipo VoD), per lo più offerti da un numero limitato di OTT, un’altra variabile, quest’ultima, di particolare importanza.
Questo scenario costituisce senza dubbio un’opportunità ma anche un rischio per la sostenibilità e lo sviluppo del business degli Operatori di rete. Si pongono infatti domande chiave, quali: come sfruttare al meglio le leve tecnologiche come SDN ed NFV per fronteggiare efficacemente questa forte crescita del traffico video? come individuare le contromisure strategiche da adottare, visto che il limitato numero di fornitori di contenuti servizi video potrebbe creare delle condizioni di potenziale svantaggio competitivo per gli Operatori ?
In effetti, la “plasticità” di rete offerta da tecnologie come SDN ed NFV potrebbe permettere di sviluppare delle architetture virtuali con multi-casting on-demand e caching dinamico (pre-positioning, client-assisted delivery) orientate a migliorare le prestazioni percepite dall’Utente, garantendo al tempo stesso l’ottimizzazione delle risorse di rete utilizzate. In tal senso, il concetto di “network slice” (figura 4) aiuterebbe a creare delle “partizioni” dinamiche delle risorse virtualizzate di rete, processing e caching dedicate al traffico video. Si ricorda che una “network slice” potrebbe essere vista come un insieme di risorse virtualizzate che condividono la stessa un’infrastruttura fisica: in altre parole, fare lo “slicing” dell’infrastruttura permette di allocare e gestire dinamicamente multiple istanze di rete, secondo i requisiti richiesti dai diversi contesti applicativi.

 

Figura 4 - Network Slice (fonte: NGM 5G White Paper, 2015)

Sebbene si osservi, in generale, una tendenza generale a convergere verso un comune modello architetturale, oggi ci sono ancora diversi approcci tecnologici e di sistema, in corso di esplorazione e sviluppo.
Tra questi si ricordano gli approcci di ETSI NFV, OpenMANO, CORD di ONF-ON.Lab, ONAP (emerso dalla recente fusione di ECOMP con Open O (Figure 5 e 6). Non è possibile, nell’ambito di questo articolo, entrare nel dettaglio tecnico su come questi approcci si differenziano: gli aspetti chiave restano da una parte la comunanza del modello architetturale di alto livello e dall’altra la fluidità con la quale Operatori e Fornitori di tecnologie si stanno posizionando.

 

Figura 5 - Esempi di approcci tecnologici in via di sviluppo: ETSI NFV vs OpenMANO vs CORD di ON.Lab

 

Figura 6 - Esempi di approcci tecnologici in via di sviluppo: ONAP vs ONF (Fonte: ONF-ON.Lab)

La sostenibilità nel nuovo ecosistema

In definitiva, il 5G si preannuncia come un “game changer”, espressione di una profonda trasformazione tecnico-economica dettata da maturità e convergenza tecnologica di SDN, NFV, Cloud-Edge Computing, Data Analytics ed Intelligenza Artificiale. L’innovazione sarà sempre più “open” ed assumerà carattere sistemico, a superamento definitivo passato approccio “waterfall” (ricerca, standardizzazione, sviluppo dei sistemi e messa in campo) che ha caratterizzato lo sviluppo delle reti legacy.
È dunque ragionevole aspettarsi che questa congiuntura, condurrà ad una sempre più profonda diffusione e penetrazione delle telecomunicazioni nel tessuto sociale, culturale ed economico della Società Digitale, che a sua volta detterà le linee evolutive future.
Non si tratta quindi solo di connettività pervasiva di alte prestazioni, e di servizi di rete a supporto di contenuti video, ipermediali, ma anche di nuove forme di comunicazione e nuovi modelli industriali che influenzeranno profondamente l’evoluzione della nostra realtà, anche dal punto di vista culturale e politico.
È già successo in passato: si pensi come la radio e la TV hanno influenzato la nostra società rispettivamente durante e dopo la Seconda Guerra Mondiale. Occorre osservare tuttavia che, mentre in passato, l’innovazione nelle comunicazioni hanno manifestato uno sviluppo pressoché graduale e continuo, in linea con l’evoluzione inerziale della società, l’attuale trasformazione tecnologica, che pur sempre è parte integrante della nostra società, sta accelerando, e procede esponenzialmente. Questo scostamento inevitabilmente porterà ad una discontinuità, difficilmente gestibile con un approccio inerziale.
Ci si aspetta una profonda trasformazione non solo degli Operatori di rete e Fornitori di servizi, ma di tutto l’attuale ecosistema: si pensi ad esempio la possibilità di role splitting e merging tra i Fornitori di apparati Telecom e Fornitori di sistemi per Cloud/Data Centre. Questo nasce infatti dal fatto che sia i nodi di switching/routing sia le altre funzionalità di rete (ad es., “middlebox”) si trasformano in processi software, disaccoppiabili dall’hardware e quindi allocabili dinamicamente ed eseguibili in risorse logiche (come Virtual Machine o Container) nel Cloud-Edge Computing. I Fornitori di apparati Telecom potrebbero orientarsi verso un disaccoppiamento del ruolo di Fornitori di piattaforme hardware globali (per datacentre/infrastructure) dal ruolo di Fornitori di soluzioni di rete ed orchestrazione puramente software; ma questo potrebbe essere vero anche per i Fornitori di sistemi per Cloud/Data Centre che intravedono la possibilità di fornire piattaforme software non solo per il mondo Cloud ma anche per la cosiddetta “softwarizzazione” delle reti Telecom.
Dal punto di vista degli Operatori di Rete, la trasformazione tecnologica offrirà la possibilità fornire sia una connettività pervasiva, con la massima qualità possibile, sia un’ampia gamma di servizi di rete programmabili, orientati ai mercati business e Consumer. In tal senso, assumeranno valore strategico le partnership con Fornitori di contenuti. La sostenibilità futura degli Operatori di Rete sarà raggiungibile attraverso un percorso strategico di sviluppo, messa in campo ed operation di un’infrastruttura “softwarizzata”, altamente flessibile e programmabile, capace di adattarsi rapidamente alle dinamiche di mercato, minimizzando al tempo stesso i costi per bit elaborato e trasmesso.

 

Conclusioni

In conclusione, si osserva una convinzione sempre più diffusa che 5G sarà una “rivoluzione sistemica”: le infrastrutture legacy 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 richiedono l’adozione di un approccio sistemico.
Gli operatori di Rete stanno adottando diverse strategie per affrontare questa profonda trasformazione. Ad esempio alcuni Operatori si stanno orientando verso una strategia “inerziale”, che prevede una graduale introduzione di SDN ed NFV nelle infrastrutture legacy; la strategia più diffusa (in quanto ritenuta di attuazione più veloce ed efficace) tuttavia, è quella “dedicata”, ovvero orientata allo sviluppo e messa in campo di un primo nucleo di infrastruttura “softwarizzata” parallela, da far crescere gradualmente e verso cui migrare i servizi futuri, quando l’infrastruttura legacy non sarà più economicamente sostenibile. Si pensi agli esempi di trasformazione di rete come Terastream (Deutsche Telekom) ed Indigo 3.0 (AT&T), dove il modello di "sistema operativo di rete" appare in grado di cambiare la prospettiva delle reti nello stesso modo in cui i sistemi operativi hanno cambiato il nostro approccio a PC e smartphone.
È evidente l’importanza strategica per l’Operatore di acquisire, sviluppare delle competenze sul “software”. Inoltre le competenze dovranno essere di carattere più sistemico, capaci di integrare delle conoscenze di rete con delle conoscenze informatiche trasversali riguardanti ad es. DevOps, Machine Learning, Sicurezza ed Intelligenza Artificiale. L’aspetto più critico in questa trasformazione resta tuttavia il cambio di “cultura aziendale” richiesto all’Operatore. I cambiamenti non riguarderanno solamente lo sviluppo di nuove competenze, ma anche l’adozione di processi lean, tipici degli Over The Top. Insomma, una trasformazione che consentirà agli Operatori, che sapranno affrontarla adeguatamente, risparmi, aumento di efficienza e flessibilità ed offerta di nuovi servizi digitali. Non c’è dubbio che il 5G sarà presente nella vita digitale di ognuno di noi e di ogni impresa nel mondo, in maniera ancora più pervasiva ed efficace di quanto siano oggi le reti.

 

Bibliografia

  1. ETSI MEC - http://www.etsi.org/index.php/news-events/news/1078-2016-04-etsi-mobile-edge-computing-publishes-foundation-specifications
  2. F. Bonomi, R. Milito, J. Zhu, and S. Addepalli, “Fog computing and its role in the internet of things,” in workshop on Mobile Cloud Computing. ACM, 2012
  3. R. Schuster, “Boosting User Experience by Innovating at the Mobile Network Edge”, 1st ed. Sophia Antipolis: ETSI, 2015
  4. From CORD to the 5G Era. Available Online at: http://www.telecomitalia.com/tit/it/notiziariotecnico/edizioni-2016/n-1-2016/capitolo-2.html
  5. https://tools.ietf.org/html/draft-unify-nfvrg-devops-00
  6. Veeramachaneni, Kalyan, et al. "AI^ 2: Training a Big Data Machine to Defend." Big Data Security on Cloud (BigDataSecurity), IEEE International Conference on High Performance and Smart Computing (HPSC), and IEEE International Conference on Intelligent Data and Security (IDS), 2016 IEEE 2nd International Conference on. IEEE, 2016
  7. Network architecture for the 5G era, Nokia Solutions and Networks. Available Online at: http://networks.nokia.com/sites/default/files/document/nokia_5g_architecture_white_paper.pdf
 

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