DigiRAN: il valore dell’automazione nell’accesso radio

DigiRAN: il valore dell’automazione nell’accesso radio
 

DigiRAN: il valore dell’automazione nell’accesso radio

La sfida evolutiva dell’accesso radio richiede di garantire alta qualità all’aumentare del traffico e della complessità di rete con costi sostenibili per l’operatore di telecomunicazioni. L’automazione dei processi di gestione costituisce un elemento chiave per affrontare tale sfida.  TIM è impegnata in un percorso di trasformazione che, applicato nel dominio dell’accesso radio, prevede l’introduzione di architetture software aperte e nativamente cloud che abilitano l’automazione delle funzionalità di rete.

 

Introduzione

L’applicazione dei paradigmi di digitalizzazione ed automazione all’accesso radio risponde ad un insieme di driver, che nascono dall’unione delle peculiarità del wireless con la continua evoluzione degli scenari di servizio. Proviamo ad elencare i principali:

  • la gestione della complessità crescente (nuovi layers frequenziali, nuove tecnologie, …);
  • la flessibilità per fare fronte a nuovi servizi;
  • la sfida di una “cost-effective” customer experience;
  • l’opportunità di generazione di valore attraverso i dati ricavati dai nodi di rete.

La complessità dell’accesso radio è legata innanzitutto alle sue caratteristiche native:

  • Propagazione: la customer experience dipende significativamente dalle caratteristiche del canale radio e dall’interferenza. La capacità di valutare accuratamente copertura ed interferenza già nelle fasi di progettazione (Quality by Design) è fondamentale per sfruttare i benefici di funzionalità avanzate come high order modulation (64QAM UL/512QAM DL) o high order MIMO (4x4 ed oltre) che, per  essere efficaci, richiedono una qualità del segnale radio molto elevata.
  • Incertezza della posizione del cliente: l’accesso al servizio «anytime, anywhere» richiede una conoscenza almeno approssimata o statistica della distribuzione dei clienti [1]. Oltre il 70% del traffico radiomobile, inoltre, è originato indoor: la propagazione outdoor-to-indoor (e viceversa,  variabile in funzione delle caratteristiche costruttive degli edifici) ha un impatto significativo sulla customer experience.
  • Mobilità:  il servizio deve essere fornito in modo «seamless» nel passaggio tra differenti celle o layer frequenziali. La mobilità è correlata inoltre alle variazioni di traffico voce/dati periodiche ed aperiodiche: pendolarismo, turismo (stagionale e/o nei weekend, particolarmente importante in un paese come
    l’Italia), eventi o manifestazioni. Il corretto dimensionamento delle risorse di cella è un’attività fondamentale per garantire la massima efficienza e performance di rete al variare delle condizioni di traffico.

Le componenti descritte si traducono in una tecnologia ad elevata complessità, con migliaia di parametri da configurare ed ottimizzare per ciascuna cella. L’avvento della Internet-of-Things, inoltre, amplifica i fattori descritti, introducendo nuovi scenari di copertura, che vanno dagli oggetti volanti (droni) fino ai sensori posizionati nel sottosuolo (ad es. contatori del gas o dell’acqua connessi o stalli per lo smartparking).
Dal punto di vista dei processi, le caratteristiche dell’accesso radio richiedono una stretta inter-relazione tra le fasi di pianificazione (planning), progettazione (design), realizzazione (creation) e esercizio (maintenance) che portano ad uno scenario ciclico in cui i singoli processi interagiscono iterativamente (Continuous Optimization).
La complessità dell’accesso radio può essere anche descritta con riferimento ai paradigmi “multi-x”:

  • Multi-service: la rete, costituita da un’integrazione di tecnologie differenti, va ottimizzata per una pluralità di servizi, voce (VoLTE), video streaming, web browsing, Public Satefy, high speed train (TAV), Internet-of Things….
  • Multi-device: terminali utente diversi per servizi diversi, con un mercato in continua evoluzione (controllato solo in parte dall’operatore…)
  • Multi-standard: necessità di introdurre nuove componenti tecnologiche (LTE e sue evoluzioni verso il 5G) ma anche di gestire i clienti che utilizzano tecnologie legacy (2G/3G).
  • Multi-layer: ogni layer frequenziale richiede una progettazione specifica, unita alla necessità di gestire la mobilità inter-layer. TIM oggi gestisce 7 differenti layer frequenziali: 800, 900, 1500, 1800, 2100, 2600 MHz, ciascuno con differenti ampiezze di banda ed alcuni - come il 900 e 1800 MHz - con coesistenza di due tecnologie (GSM/UMTS per 900MHz e GSM/LTE per 1800); nel 2018, inoltre ulteriori frequenze saranno assegnate nella banda 700 MHz, 3700 MHz e 27 GHz in prospettiva 5G. La eterogeneità delle celle (small cells, macro cells, ...) introduce ulteriore complessità (HetNet).
  • Multi-vendor: la pluralità dei vendors che, pur introducendo un significativo fattore di complessità in virtù del numero molto elevato di scelte implementative proprietarie, consente di ottimizzare il trade off tra sviluppo tecnologico e sostenibilità economica.

Il quadro normativo e regolatorio, infine, determina una serie di condizioni al contorno che devono essere soddisfatte e che contribuiscono alla complessità di gestione del processo di progettazione ed esercizio, come ad esempio i vincoli di esposizione ai campi elettromagnetici (CEM), per i quali l’Italia ha una delle normative più stringenti al mondo.
A fronte di una complessità così alta e crescente, la sostenibilità del business richiede di migliorare la Customer Experience sfruttando nel modo più efficace possibile gli investimenti sulla rete (di cui l’accesso costituisce la parte predominante) e ottenendo la massima efficienza dei processi operativi con una minimizzazione del (TCO) Total Cost of Owneship. Per raggiungere questo obiettivo, TIM è impegnata in un percorso di trasformazione - digiTIM - che declinato sull’accesso mobile - digiRAN - prevede il decomissioning/delayering, la virtualizzazione dell’accesso radio e l’automazione dei processi di progettazione, creazione, ottimizzazione e manutenzione. Sul primo fronte, il decomissioning delle reti legacy è una sfida fondamentale non solo per garantire la semplificazione operativa, ma per attuare importanti saving (si pensi ad es. ai consumi energetici) ed il riuso delle frequenze per le tecnologie più evolute (refarming delle bande 2G/3G per 4G/5G); la virtualizzazione, d'altro canto, consente di impostare già sulla rete 4G i requisiti di flessibilità, scalabilità, apertura e sicurezza nativa che devono guidare il processo verso il 5G.
La Figura 1 riassume a livello qualitativo gli effetti dell’automazione sui processi operativi, evidenziando come, a partire dal 4G e nell’evoluzione verso il 5G, l’automazione sia fondamentale per gestire l’aumento esponenziale della complessità (in termini di carico operativo complessivo) mantenendo costante il livello di impegno delle persone (automatizzando una quota crescente delle attività operative e re-indirizzando le risorse esistenti su attività ad alto valore aggiunto, quali il controllo e lo sviluppo dell’automazione, anche in modalità DevOps) [nota 1].

 

Figura 1 - Effetto dell’automazione sui processi operativi, all’aumentare della complessità della rete

DigiRAN: l’approccio Open SON di TIM e l’evoluzione verso la vRAN

Il concetto di SON, Self-Organizing Network è una prima risposta all’esigenza degli operatori di far fronte ad un incremento di complessità dei processi di configurazione, ottimizzazione e assurance delle reti. La Figura 2 mostra l’impatto delle componenti SON sui processi di gestione della rete di accesso radio fortemente interconnessi tra loro.

 

Figura 2 - Ruolo delle funzioni SON (definite dal 3GPP) nei processi di gestione dell’accesso radio

TIM ha partecipato alle attività SON in 3GPP sin dal loro avvio, coniugando la visione innovativa con il proprio bagaglio di esperienza nell’ambito della progettazione e dell’ottimizzazione radio della rete multi-accesso 2G/3G/4G/5G e promuovendo la definizione di soluzioni aperte, inter-operabili e flessibili.
In aggiunta al paradigma “distribuito” (dSON), disponibile negli elementi di rete già a partire dalle prime release LTE, si è sviluppato anche un approccio “centralizzato” (cSON), basato su funzionalità automatiche realizzate nel dominio tradizionale della gestione di rete, in grado di esercitare un controllo unificato e coordinato su più nodi di rete, anche di vendor diversi (meno stringente dal punto di vista delle tempistiche rispetto al caso dSON). L’approccio “centralizzato” convive con le funzionalità RAN “distribuite” attraverso le cosiddette architetture ibride [2].
A partire dal 2015 TIM ha definito un’architettura di riferimento “Open SON” basata sui seguenti cardini [3]:

  • Disponibilità di interfacce aperte API (Application Programming Interface) per lo scambio di informazioni tra i blocchi funzionali coinvolti.
  • Programmabilità e modularità, per garantire la flessibilità necessaria a gestire una rete di accesso in continua evoluzione.

Il paradigma prevede che le funzionalità di  progettazione e ottimizzazione radio siano strutturate in un’architettura software “closed loop” che si esplica secondo due direzioni di sviluppo:

  • “Automatic Closed Loop” per le funzionalità “basic” di ottimizzazione e configurazione di rete, completamente automatizzabili, corrispondenti a task relativamente semplici ma ad elevato consumo di tempo;
  • “Human Closed Loop” per le funzionalità che richiedono un’analisi più avanzata, nelle quali l’azione degli specialisti radio TIM è supportata da applicazioni sviluppate “in house”, che garantiscono anche il controllo delle funzioni automatiche.

L’automazione, completa o assistita, dei principali processi dell’accesso radio, produce non solo la riduzione di possibili errori introdotti dai processi manuali, soprattutto nel caso di task ripetitivi ed a basso valore aggiunto, ma consente anche di effettuare cambiamenti della configurazione della rete in real time, ad esempio per seguire fluttuazioni del traffico (impossibili da gestire con attività manuali con costi sostenibili).
La Figura 3 riassume l’approccio Open SON definito da TIM.

 

Figura 3 - Il paradigma “Open SON” secondo l’approccio di TIM EM (Element Manager)

La prima componente rappresentata dalle Autonomic Management functions consiste nello sviluppo di soluzioni cSON (SON centralizzate), con l’obiettivo di automatizzare l’elaborazione dei dati di performance e la configurazione dei parametri di rete . TIM ha scelto di sviluppare tali piattaforme SON centralizzate in partnership con i fornitori della rete di accesso radio, nell’ottica della massima integrazione con le funzionalità dei nodi di accesso.
L’interlavoro tra il dominio tecnologico del RAN vendor ed i sistemi dell’operatore è assicurato dalla cosiddetta SON API: nei requisiti di TIM, tale interfaccia abilita funzionalità di CM (Configuration Management), PM (Performance Management) e TM (Tracing Management) in real time, oltre a permettere il controllo (mediante parametri o regole) degli algoritmi automatici resi disponibili nel dominio di rete (cSON e dSON). Tale interfaccia si integra con la Network API, resa disponibile direttamente dagli Element Manager dei nodi, in linea con quanto previsto dalle specifiche 3GPP.
La seconda componente è indicata in figura come Advanced optimization and network development applications: si tratta dell’evoluzione dei sistemi sviluppati internamente da TIM, che – integrati in un unico framework - già oggi supportano i processi di design ed optimization (ad esempio: TIMplan per il radio access design, TIMqual per la radio access optimization, IRMA per la radio access configuration).
L’interfaccia indicata come NDO API ha il ruolo di collegare il dominio di management dell’accesso radio con i sistemi multi-dominio di TIM orientati alla gestione end-to-end dei della rete e dei servizi . Un esempio di attività abilitata dalla NDO API è la re-conciliation dei dati di progetto finalizzata all’automatizzazione del Network design: inventory, produzione schede radio, sicronizzazione con i sistemi di gestione degli ordini e dei magazzini.
Questo insieme di moduli software, indicato come “Open SON framework” o come “RAN automation framework” è sviluppato in coerenza con le iniziative di “Network Function Virtualization” di TIM: tutti i sistemi indicati sono integrati come Virtual Network Functions all’interno delle infrastrutture NFV. Tale approccio offre i seguenti vantaggi:

  • Semplificazione e standardizzazione delle attività di system integration nella rete TIM;
  • Assenza di attività dedicate di Hardware provisioning e configuration;
  • Rapidità del processo di integrazione, dal “high level design” fino al “go-live”;
  • Approccio integrato alle tematiche di security (ad esempio hardening o firewall);
  • Abilitazione di paradigmi di automazione multi-dominio (network orchestration, network slicing) di prossima introduzione.

L’introduzione del Open SON rappresenta per TIM un primo passo verso una completa digitalizzazione della rete di accesso radio (digiRAN).  Il secondo passo prevede l’evoluzione verso la Virtual/Cloud RAN con l’estensione dei paradigmi sin qui descritti (apertura, flessibilità, virtualizzazione, automazione) a tutti i livelli della rete di accesso (Figura 4).

 

Figura 4 - Il percorso di TIM per la digitalizzazione dell’accesso radio (DigiRAN)

L’introduzione della vRAN, di cui TIM è pioniere a livello mondiale [4], prevede che parte delle componenti in banda base dei nodi BBU (Base Band Units) diventino funzioni virtualizzate integrabili su NFV, lasciando su HW fisico i moduli a radio frequenza, prossimi alle antenne RRU (Remote Radio Units) e una parte dei moduli che implementano i layer protocollari più bassi (livello fisico).
Con la vRAN, il paradigma SON evolve, superando Il dualismo “dSON vs cSON” in quanto gran parte delle funzionalità di controllo è centralizzata per gestire efficacemente (e flessibilmente) clusters di rete di dimensioni variabili (corrispondenti ad esempio a data centers core o edge [nota 2]).
La disponibilità di interfacce aperte permette, in questo contesto evolutivo, una maggiore flessibilità nello sviluppo di algoritmi evoluti (v. approfondimento "Evoluzione degli algoritmi SON verso il Machine Learning"), consentendo l’inserimento di moduli sviluppati direttamente dall’operatore o da terze parti sulla base delle esigenze del campo (ad esempio secondo tecniche di tipo DevOps), così come la sperimentazione di metodologie innovative anche derivanti da attività di “Open Innovation” (ad esempio università o  start-up).

 

La virtualizzazione dell’accesso radio (V-RAN)

L’introduzione della Virtual RAN unisce due principali cambiamenti rispetto al paradigma tradizionale di realizzazione della rete di accesso radio (Figura 5):

  • Centralizzazione della banda base, che consente il coordinamento intelligente di nodi Macro, Micro, Pico-cellulari, realizzando una gestione ottimale anche in presenza di reti eterogenee (HetNet). Così facendo la banda base è in grado di controllare centinaia di celle, incrementando sia l’efficienza di rete tramite la gestione dinamica delle risorse per rispondere ai rapidi cambiamenti del traffico, sia l’efficacia delle funzionalità di LTE Advanced tramite il coordinamento di segnali provenienti da siti  diversi (inter-site Carrier Aggregation ed inter-site Comp).
  • Virtualizzazione della banda base tramite NFV (Network Functions Virtualization) che  introduce agilità, flessibilità, apertura, affidabilità e sicurezza nello sviluppo software che non è più associato ad hardware dedicato, ma general purpose.
 

Figura 5 - La trasformazione della rete di accesso eterogenea con l’introduzione della Virtual RAN

TIM è pioniera delle soluzioni Virtual/Cloud RAN, avendo messo in campo, prima in Europa e tra i primi operatori al mondo, la soluzione Altiostar nella città di Saluzzo [5]. Nel 2018, inoltre, ha avviato con Ericsson a Torino la costruzione di una Virtual RAN di tipo HetNet (Rete Eterogenea) che includerà macrocelle e microcelle (small cells),  applicando un  fronthauling efficiente e tecniche di coordinamento tra siti diversi.
Nell’approccio TIM, la trasformazione della rete di accesso è basata sui seguenti “pillars”:

  • Customer experience and Capacity: pieno sfruttamento dei benefici della centralizzazione.
  • Simplified deployment: attraverso l’utilizzo delle piattaforme NFV di TIM e requisiti di trasporto sostenibili grazie a tecniche di front-hauling innovative.
  • Automation and Operational Efficiency: scalabilità flessibilità, automazione.
  • Security by design: in linea con le policies del gruppo.
  • 5G readiness: supporto delle funzionalità Internet of Things (Nb-Iot e eMTC) ed utilizzo di architetture in grado di evolvere gradualmente verso il 5G.

La Figura 6 mostra il risultato di una valutazione (ottenuta mediante il tool TIMplan) relativa ai benefici della centralizzazione in termini di pooling gain. Nella parte alta delle figura è mostrata la distribuzione del traffico nell’area di Torino, ricavata a partire da contatori di cella reali: appare evidente come, a causa delle variazioni di traffico, i vari nodi presentino picchi di traffico a diverse ore del giorno (come è dimostrato anche dal fatto che il picco totale della rete misurato in accesso, cioè la somma di ciascuna cella nel momento di massimo traffico, è quasi il doppio di quello in Core). Nella rete di accesso tradizionale le risorse elaborative sono legate ai singoli nodi: ogni nodo, quindi, deve essere dimensionato per fare fronte al proprio traffico di picco. Le risorse totali, quindi, sono quelle necessarie a fare fronte alla somma dei picchi di tutti i nodi della rete: di fatto, è come se la rete fosse dimensionata per una distribuzione di traffico “worst case” che non corrisponde a nessuna delle situazioni effettive riscontrate nel corso della giornata. Con l’introduzione della virtual RAN, si può ipotizzare che tutta l’area rappresentata faccia parte di un unico cluster corrispondente ad un data center in cloud: le risorse sono condivise tra tutti i nodi e, di conseguenza, possono essere allocate dinamicamente seguendo le variazioni di traffico, con un risparmio di risorse stimabile fino al 50% (riferito alla quota di risorse oggetto della virtualizzazione). La centralizzazione, inoltre, consente di ottimizzare anche gli spazi e le risorse energetiche, concentrando in poche centrali le esigenze di manutenzione e di condizionamento.
L’introduzione della virtual RAN accresce la flessibilità e l’efficienza operativa della rete di accesso: con la “softwarization”  la rete di accesso stessa diventa una piattaforma cloud in grado di implementare automazione (con algoritmi SON più efficienti) ed apertura nell’ottica dell’integrazione con gli altri domini di rete.

 

Figura 6 - L’introduzione della Virtual RAN abilita una gestione flessibile delle risorse radio con vantaggi in termini di pooling gain

L’evoluzione 5G: orchestration e network slicing

Il percorso evolutivo verso la completa digitalizzazione delle reti 5G, passa attraverso l’estensione dell’automazione a tutti gli ambiti operativi, non solo relativi ai vari segmenti di rete ma anche alle piattaforme di servizio.
Per abilitare processi automatici, dal design dei servizi fino alla configurazione di dettaglio delle diverse funzionalità di rete coinvolte, secondo un approccio di gestione “end-to-end”, è necessario sia introdurre l’automatizzazione nei vari domini di rete (RAN, Core, Trasporto) e di servizio, sia prevedere il coordinamento tra tutti i domini coinvolti attraverso entità di orchestrazione.
Nell’ambito delle reti radiomobili 5G, il legame tra i vari domini nelle fasi di creazione e dispiegamento di un servizio è sintetizzato nel concetto di “network slice”, che rappresenta l’astrazione con la quale le risorse e le funzionalità di rete associate ad un determinato servizio vengono riservate e gestite come un’unica entità (v. approfondimento "L’evoluzione delle architetture di automation").
In questa architettura, il dominio  della rete di accesso radiomobile viene rappresentato da un layer di astrazione “SON/RAN” che offre alle entità di orchestrazione end-to-end inter-dominio le funzionalità di automazione e orchestrazione intra-dominio descritte nei paragrafi precedenti.
Il ruolo di “cuore pensante e pulsante” del dominio di accesso radio mobile sarà svolto dalla funzionalità “SON-RAN-Orchestrator”, che assicurerà il coordinamento tra le funzionalità interne al dominio (es. funzionalità SON e di design di rete),  le altre funzionalità di O&M (es. CM, PM, TM, etc.) e gli orchestratori esterni al dominio (es. Service Orchestrator, NFV Orchestrator, etc.) , astraendo tramite API di orchestrazione le risorse del dominio e le funzionalità di configurazione e ottimizzazione (Figura 7).
L’evoluzione delle architetture di management ed orchestration si svolgerà in un contesto nel quale anche gli elementi di rete (RAN) dovranno evolvere in una logica “software-based” diventando maggiormente aperte e flessibili e superando i vincoli derivanti dalle attuali architetture proprietarie [nota 3].

 

Conclusioni

La “digitalizzazione” dell’accesso radio (DigiRAN) è un processo di trasformazione che porterà la rete di accesso radio TIM, in passato largamente legata a logiche hardware, verso una prevalenza delle funzionalità software nativamente cloud, che ne abiliteranno una sempre maggiore automazione, portando a piena applicazione il paradigma Self Organizing Network. La virtualizzazione consente di impostare già sulla rete 4G i requisiti di flessibilità, scalabilità, apertura e sicurezza nativa che guidano il processo verso il 5G.

 

Bibliografia

  1. "Big data georeferenziati MDT per servizi digitali nelle SMART CITIES" Notiziario Tecnico TIM, N.1 2018
  2. Mobile trend: Self-Organizing Networks, Notiziario Tecnico TIM, N.2 2014. http://www.telecomitalia.com/tit/it/notiziariotecnico/archivio/2014-2/capitolo-06.html
  3. http://www.telecomitalia.com/tit/it/innovazione/rete/self-organizing-network.html
  4. TIM a grandi passi verso il 5G, Notiziario Tecnico TIM, N.1 2017.
    http://www.telecomitalia.com/tit/it/notiziariotecnico/edizioni-2017/n-1-2017/capitolo-3.html
  5. http://www.telecomitalia.com/tit/it/archivio/media/note-stampa/market/2016/TIM-Altiostar-VRAN.html
 

Note

  1. Tra le esperienze di altri operatori, si può citare come riferimento l’attività di Elisa, che già da alcuni anni ha introdotto processi di automazione in ambito accesso radio gestendo a, parità di investimenti, incrementi di traffico tra più significativi in ambito mondiale dovuto al lancio di tariffe unlimited su rete mobile (www.elisaautomate.com/)
  2. La localizzazione di funzionalità SON in data center di tipo “edge” permette anche una sinergia con funzionalità di tipo “Multiaccess Edge Computing” in grado di avvicinare al cliente le funzionalità di processing.
  3. (si veda ad esempio l’inizativa XRAN promossa da un gruppo di operatori e fornitori RAN www.xran.org
 

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