La roadmap di standardizzazione del 5G

La roadmap di standardizzazione del 5G
 

La roadmap di standardizzazione del5G

A dicembre 2017 sono state finalizzate le prime specifiche tecniche 3GPP [1] per il nuovo accesso Radio (5G New Radio) compatibile con le attuali reti “core” 4G. Nel giugno 2018, si è [2] annunciato il rilascio della prima versione dello standard 5G (in gergo tecnico la Release 15 3GPP) completa anche degli aspetti principali di rete, aprendo la strada al lancio commerciale dei primi servizi probabilmente già nel 2019. Lo standard però è in evoluzione ed il 3GPP ha già in agenda una nuova versione dello standard (Release 16), il cui completamento è previsto per marzo 2020. L’articolo ne esplora i principali contenuti.

 

La roadmap generale 3GPP per il 5G

Le tempistiche dei rilasci dello standard 5G, i cui lavori sono stati avviati in 3GPP già nel 2015, sono state condizionate principalmente da due fattori. Un fattore procedurale legato all’ambizione di portare in ITU-R le specifiche del nuovo sistema, affinché potessero rientrare nella famiglia dei sistemi “IMT-2020”, entro il 2020. Un fattore di mercato legato alla necessità di dispiegare già al 2020 soluzioni tecnologiche standard e globali, si pensi ad esempio all’esigenza degli operatori nordamericani di fornire i servizi ultrabroadband alla clientela residenziale in sostituzione della fibra, all’opportunità di vetrina rappresentata dai giochi olimpici 2020 a Tokyo, o all’agenda di rilancio dell’ICT europeo esplicitata nel 5G Action Plan dalla commissione europea.
Il piano lavori ha conciliato le esigenze ITU-R e di mercato, prevedendo un primo rilascio di specifiche (fase 1) per poter permettere lanci tattici e commerciali già tra il 2018 ed il 2019 ed un secondo rilascio (fase 2), incrementale rispetto al precedente, per il completamento di tutte le funzionalità 5G da includere nelle Raccomandazioni ITU-R IMT-2020 (Figura 1).

 

Figura 1 - Roadmap dei lavori 5G in 3GPP

Rispetto alle ormai note categorie di use case ITU-R (Figura 2), la fase 1 si è quindi concentrata prevalentemente sull’abilitazione di scenari di servizio di tipo eMBB, grazie alle evoluzioni dell’accesso radio LTE, all’introduzione della nuova interfaccia radio NR e alla nuova core network 5G. Obiettivo della fase 2 è invece quello di completare il sistema della fase 1 con tutti gli abilitatori mancanti per la realizzazione dei rimanenti use case URLLC e mMTC.

 

Figura 2 - Categorie di use case 5G [3]

La fase 1 del 5G, o Release 15, inizialmente pianificata per giugno 2018, è stata ulteriormente spacchettata in tre rilasci incrementali: Early Drop (finalizzato a dicembre 2017), Regular Drop (completato a giugno 2018) e Late Drop (previsto per marzo 2019).
L’Early Drop è stato concepito per poter dispiegare velocemente il nuovo accesso radio (NR) senza dover dispiegare anche una nuova core network. In tale scenario, infatti, l’accesso NR, integrandosi nell’architettura esistente del sistema EPS, fornisce solo un incremento capacitivo alla copertura LTE grazie a tecniche di dual-connectivity. Tale configurazione d’accesso è anche denominata LTE-assisted NSA (Non-StandAlone), in quanto NR non potrebbe operare senza l’assistenza della radio LTE, il cui piano di controllo è connesso alla core EPC (in gergo 3GPP è comunemente riferita come “option 3”  [4]). Sfruttando la capacità di NR di operare a frequenze molto elevate (ad esempio nell’intorno di 30 GHz), questo scenario permette velocità di trasmissione di alcuni Gbps in microcelle.
Il Regular Drop definisce i fondamenti della nuova core network 5G (5GC), quali l’architettura Service-based con funzioni di rete interagenti tramite API, il supporto nativo del network slicing, l’allocazione flessibile dei gateway di user plane a supporto di schemi di comunicazione di tipo edge computing, l’integrazione nativa di accessi non-cellulari (es.  hotspot WiFi). Gli scenari di accesso prevedono che sia i nodi radio NR (“option 2”), sia quelli LTE (“option 5”) possano connettersi alla 5GC in modalità SA (Stand-alone).
Viene inoltre definito un nuovo sistema di management, che evolve in termini di funzionalità ed architettura per adeguarsi sia alle specificità applicative delle nuove risorse di rete 5G da gestire, sia ai nuovi modelli di virtualizzazione di rete dove le funzioni sono componenti software che girano su sistemi Cloud e non più su hardware dedicato.
Il Late Drop, infine, non comporta modifiche alla core network ma aggiunge solo, agli scenari precedenti, quelli di connettività degli accessi NR e LTE alla 5GC, in configurazione NSA. In particolare, è definito lo scenario in cui NR opera in dual connectivity con LTE (LTE-assistend NSA), con piano di controllo LTE connesso alla nuova Core 5G (“option 7”).
È opportuno sottolineare come le date dei “Drop” della fase 1 sopra riportate corrispondano più ad un complemento formale che sostanziale delle attività di specifica. La portata estremamente innovativa dei contenuti della Release 15 ha infatti determinato alcuni ritardi significativi nella tabella di marcia inizialmente prevista, soprattutto per quanto riguarda la finalizzazione degli aspetti del nuovo accesso radio. È il caso ad esempio del Regular Drop della Release 15 che, dichiarato completo a giugno 2018 con tanto di press release a firma di tutte le maggiori aziende contributrici (inclusa TIM), ha comportato di fatto una coda di lavori almeno fino a dicembre 2018. Tali code hanno conseguentemente condizionato il piano lavori della fase 2 del 5G, o Release 16, che, inizialmente pianificata per completamento a dicembre 2019, molto probabilmente non sarà terminata prima di marzo 2020.
Al momento della scrittura di questo articolo sono in fase di studio i requisiti dei servizi (stage 1) che costituiranno il corpo della Release 17: entro fine 2019 tale fase di studio avrà individuato i contenuti della prossima Release a cui lavorare una volta esaurite le code della Release 16. Il completamento della Release 17, su pressione delle aziende manifatturiere tese a favorire cicli di rilasci più frequenti per meglio inseguire innovazione tecnologica e di mercato, potrebbe avvenire già entro settembre 2021.

La Release 16 e l’apertura verso nuovi verticals

La seconda fase di specifica del 5G (Release 16) è concentrata su due filoni di attività:

  • Espansione verso nuovi settori applicativi in parte già indirizzati dal 4G con tecnologie quali il NB-IoT ed il C-V2X, rispettivamente per l’IoT e l’Automotive. La standardizzazione 5G indirizza questi scenari d’uso facendo leva sulle caratteristiche di programmabilità, automazione, ed apertura della nuova core ed espandendo, come vedremo di seguito, alcune funzionalità di rete. Abilitatore importante di tale processo di espansione del business risulta essere anche l’evoluzione dei sistemi di management, verso una gestione di rete sempre più automatizzata e proattiva, soprattutto per quanto riguarda il controllo degli SLA (Service Level Agreement) delle network slice offerte a Clienti di tipo Vertical.
  • Miglioramento delle prestazioni (“enhancement”) di quanto specificato in Release 15. Questo è un normale processo in 3GPP, in quanto, a valle della definizione di un nuovo set di funzionalità (in questo caso, l’interfaccia radio NR e la nuova core network 5G), si procede ad ulteriori ottimizzazioni per rendere il sistema sempre più efficiente e performante.

Per quanto riguarda lo use case massive Machine Type Communications (mMTC), il 3GPP ha deciso di non sviluppare soluzioni su interfaccia NR per applicazioni “Low Power Wide Area”. Questa tipologia di servizio è considerata soddisfatta dalle tecnologie NB-IoT ed LTE-M (entrambe dispiegate in rete TIM) già dalla Release 13. La Release 16 permetterà ai moduli NB-IoT di attestarsi alla nuova core, che è stata aggiornata per introdurre prestazioni di ottimizzazione della segnalazione, efficienza energetica, gestione “in bulk” di gruppi di moduli, esposizione controllata di capability ed eventi di interesse per i Clienti Business (es. localizzazione del modulo, perdita di connessione, …) [5]. Altre tipologie di servizi IoT che richiedono elevati throughput (ad es. videosorveglianza) possono essere soddisfatte da terminali di tipo “eMBB”, cioè con prestazioni simili a quelle delle comunicazioni broadband.
Anche il settore automotive è destinato ad essere profondamente rivoluzionato dal 5G, soprattutto per quanto attiene alla comunicazione fra il veicolo ed altri veicoli (V2V), pedoni (V2P), Road Side Unit (V2I) o elementi di rete (V2N), come rappresentato in Figura 3.

 

Figura 3 - Applicazioni V2X [6]

L’obiettivo dello standard 5G è arrivare a supportare tutti i livelli di autonomia di guida, passando progressivamente dalla guida assistita, abilitata già dal 4G (Release 14), alla guida remotizzata ed infine alla guida autonoma. A livello radio la Release 16 introduce la comunicazione diretta a supporto del V2V anche su accesso NR. A livello architetturale di fatto replica nella nuova rete 5G il framework di controllo delle comunicazioni V2X già abilitato nel 4G. Ma la nuova rete 5G offrirà nuove opportunità di servizio a supporto di un costante miglioramento della sicurezza stradale e della user experience a bordo. Come approfondito in [7], le funzioni di “network analytics” proprie del 5G potranno offrire anche una predizione del livello di QoS a disposizione delle applicazioni V2X per permettere alle funzioni di guida di adattarsi per tempo alle condizioni di rete. Inoltre, sempre grazie ai network analytics sarà possibile valorizzazione i big data di connettività (es. log temporizzati delle trasmissioni/ricezioni, localizzazione, andamento delle performance…), per arricchire le offerte Business dei Telco (es. manutenzione predittiva, profilatura stili di guida, …) nell’interesse di una superiore customer experience del conducente.
Tra le novità assolute della Release 16, vi sono le funzionalità a supporto di applicazioni Industrial IoT, che richiedono tipicamente elevata affidabilità, bassissima latenza e localizzazione e sincronizzazione molto accurate [8]. È il caso delle comunicazioni URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication), caratterizzate da ritardi molto ridotti (decine o unità di millisecondi) ed affidabilità fino al 99,999% (ovvero un solo pacchetto perso ogni 105 trasmessi), che trovano rispondenza in una molteplicità di applicazioni: fabbrica digitale (controllo remoto di bracci robotici, …), smart grid (distribuzione dell’energia), Realtà Aumentata/Virtuale (diagnostica assistita, gaming, ecc.). Uno dei requisiti più comuni di tali applicazioni è la possibilità di trasmettere i dati in pochissimi millisecondi. Per abbattere la latenza complessiva occorre dunque avvicinare il server applicativo al terminale. L’allocazione flessibile dei gateway di traffico della core 5G (UPF), caratteristica nativa della nuova architettura, permette al traffico generato dai terminali di essere instradato localmente verso le applicazioni URLLC residenti su data center all’edge o addirittura “on premise” (approccio Edge computing). Ulteriori ottimizzazioni sono allo studio in Release 16 per aumentare il livello di affidabilità, introducendo ridondanza nella connettività dati tra terminale e server e per contenere la latenza nei casi di mobilità ed handover.
La standardizzazione delle funzionalità URLLC è particolarmente rilevante per l’Industrial Internet. Nello specifico, la fase 2 del 5G prevede anche la realizzazione di reti comunicazione all’interno di impianti industriali ( [9], [10]) a supporto della digitalizzazione di tutti i processi produttivi nella fabbrica. Oltre agli aspetti prestazionali visti poc’anzi, sono previsti miglioramenti operativi, quali il supporto di comunicazioni temporalmente sincronizzate (Time Sensitive Networking), di tipo Ethernet, di tipo LAN anche su scala geografica, la localizzazione con precisione molto elevata (dell’ordine di alcune decine di cm), la possibilità di monitoring di QoS (es. ritardo, packet error rate, …) per la verifica dei Service Level Agreement e, in tema di sicurezza, il “plug-in” di soluzioni di autenticazione senza USIM già in uso in ambito industriale. Inoltre, sono in definizione nuove soluzioni architetturali per dispiegamenti locali ed isolati di reti 5G (Stand-alone Non-Public Network, i.e. SA NPN) su accesso radio NR con logiche che favoriscono l’uso del 5G anche da parte di nuovi soggetti non-Telco tradizionali (ad esempio, tramite spettro licenziato allocato localmente al proprietario di uno stabilimento industriale [nota 1 - Questo modello non è attualmente previsto in Italia, ma la Germania prevede di rilasciare 100 MHz con licenze locali per applicazioni tipo factory automation]). Tale modello di rete è alternativo a quello di rete privata offerta dall’Operatore ad una terza parte come “slice” della propria rete PLMN pubblica (Non Stand-alone Non-Public Network). La scelta del modello da dispiegare dipenderà delle specificità e dei requisiti di ciascun cliente Vertical.
Per quanto riguarda gli aspetti di ottimizzazione delle prestazioni radio, il 3GPP prevede di specificare ottimizzazioni della tecnologia massivo MIMO, aspetto critico per permettere il funzionamento delle reti a frequenze molto elevate, ovvero a 26 GHz. Infine, in Release 16 è prevista la specifica di soluzioni SON (Self Organising Networks) in grado di automatizzare la gestione della rete e di misurare la qualità del servizio.
Dal punto di vista architetturale, la Release 16 aggiunge un ulteriore tassello al disegno target di rete convergente in grado di supportare diverse tipologie di accesso (fixed broadband, cellulare, wifi, …). In Release 15 l’integrazione di accessi non cellulari si è limitata al WiFi di tipo unstrusted (ovvero, accessi hotspot generici). In Release 16 l’integrazione si estende anche agli accessi di tipo trusted, ovvero gestiti da Provider con accordi commerciali con l’Operatore 5G [11]. Sono considerati tali, ad esempio, gli accessi WiFi di CPE/Residential Gateway (RG) connessi in fibra alla rete 5G. I RG possono supportare protocolli 3GPP (5G RG), oppure essere specificati in accordo agli standard di rete fissa BBF (FN-RG, Fixed Network RG). Per alcuni 5G RG è inoltre prevista la possibilità di connessione alla core 5G tramite uso simultaneo di accesso cellulare (NG RAN) e rete fissa (scenario cosiddetto Hybrid Access) [nota 2 - Si ricorda che la connessione di Residential GW alla core 5G via radio ed in sostituzione dell’accesso in fibra è un’opzione abilitata in Release 15 (Fixed Wireless Access)]. Complementa tali scenari la funzionalità di ATSSS (Access Traffic Steering, Switch and Splitting), che permette all’Operatore di influenzare l’instradamento dei dati sul tipo di accesso più opportuno per i terminali in grado di operare sia su accessi cellulari che WiFi.

La Release 17… ancora nuovi verticals

Attualmente le attività di specifica della fase 2 del 5G sono concentrate sul completamento dei lavori per marzo 2020 ed il pieno supporto dei requisiti IMT-2020, tuttavia già si delineano aspetti che caratterizzeranno le Release successive, in particolare la Release 17 andando così ad allargare l’orizzonte di impiego del 5G.
La forte novità rispetto alle precedenti Release si preannuncia esser costituita dal fatto che sempre più attori diversi da quelli tradizionali (ovvero i Vertical) portano in 3GPP i loro requisiti richiedendo soluzioni basate su tecnologie 5G 3GPP per i loro use case. Nel seguito, un breve elenco degli studi già avviati o in avvio nei prossimi mesi:

  • Integrazione dell’accesso radio via satellite con la rete 5G [12]
  • Abilitazione del multicast/broadcast su LTE e NR, a supporto di diversi scenari applitivi (aggiornamenti software di moduli IoT, comunicazioni di gruppo nel contesto Public Safety, V2X, …)
  • Produzione audiovisiva: si prevede di complementare le capacità di broadcasting con soluzioni ottimizzate di latenza, affidabilità di rete, connettività e QoS per la produzione di contenuti multimediali professionali in mobilità od in studio (fabbrica audiovisiva), anche a supporto di eventi di massa e con un numero elevato di dispositivi connessi (microfoni, fotocamere, amplificatori, ....)
  • Droni: ulteriori capacità di banda in uplink e di latenza ridotta permetteranno applicazioni estensive e sicure di droni telecomandati nei contesti più disparati (industria petrolifera, cinematografica, agricola, …)
  • Gaming: nuovi livelli di interattività diretta tra terminali ed ottimizzazioni URLLC potrebbero abilitare esperienze di gioco in VR sempre più coinvolgenti
  • Telemedicina: saranno indirizzati i requisiti tecnici abilitanti gli use case tecnologicamente più sfidanti della sanità elettronica (es. possibilità di localizzazione fine di strumenti inseriti all’interno del corpo umano), per abilitare operazioni chirurgiche assistite da Realtà aumentata o da robot…

Oltre a sviluppare nuove soluzioni per i Vertical, il 3GPP dovrà continuare i lavori di ottimizzazione delle prestazioni radio e di core definite nelle fasi precedenti, in un processo di continua evoluzione e aderenza alle esigenze del mercato Figura 4.

 

Figura 4 - Release, tempistiche e use case del 5G 3GPP

Dal punto di vista delle tempistiche per la Release 17, il gruppo che si occupa della definizione dei requisiti di servizio ha già iniziato i suoi studi con l’obiettivo di derivarne specifiche normative entro dicembre 2019. A giugno 2019 è previsto un Workshop in cui le diverse compagnie (inclusi i Vertical) potranno presentare proposte di attività e illustrare le loro aspettative. I contorni della Release 17 saranno quindi delineati a dicembre 2019 anche sulla base degli interessi e delle esigenze che saranno espressi nel workshop.

Conclusioni

L’articolo ha descritto la roadmap di standardizzazione del 5G e le principali innovazioni relative all’accesso radio ed alla rete attese nell’ambito di quella che viene comunemente identificata come fase 2 del 5G, ovvero la Release 16. I prossimi mesi, caratterizzati dal dispiegamento delle prime reti 5G, saranno fondamentali per completare il lavoro in corso ed indirizzare i successivi sviluppi nell’ottica di rendere il 5G una piattaforma abilitante per tutti i servizi della Gigabit Society n

Bibliografia

  1. http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1931-industry_pr_5g, [Online].
  2. http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1965-rel-15_news, [Online].
  3. Recommendation ITU-R M.2083 – “Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond” https://www.itu.int/rec/R-REC-M.2083/en.
  4. Architecture configuration options for NR, http://3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_72/joint_RAN_SA/RP-161266.zip.
  5. 3GPP TR 23.724 Study on Cellular Internet of Things (IoT) support and evolution for the 5G System.
  6. 3GPP TS 22.185 Service requirements for V2X services.
  7. https://www.telecomitalia.com/tit/it/notiziariotecnico/edizioni-2018/n-3-2018.html, [Online].
  8. 3GPP TR 22.862 Feasibility study on new services and markets technology enablers for critical communications.
  9. 3GPP TR 23.734 Study on enhancement of 5G System (5GS) for vertical and Local Area Network (LAN) services.
  10. 3GPP TS 22.104 Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains.
  11. 3GPP TS 23.316 Wireless and wireline convergence access support for the 5G System (5GS).
  12. 3GPP TR 23.737 Study on architecture aspects for using satellite access in 5G.
  13. 3GPP TR 22.886 Study on enhancement of 3GPP support for 5G V2X services.
  14. 3GPP TS 22.186 Service requirements for enhanced V2X scenarios.
 

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