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Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa “Mario Lucertini”
Sfide del 5G e tecnologie ‘Beyond 5G’
(I parte)
Francesco Vatalaro
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Ministero dello Sviluppo Economico - Comunicazioni, Roma
Roma, 16 aprile 2018
1 © 2018 F. Vatalaro, All Rights Reserved
Contents
1. 5G timeline and requirements
2. New services
3. The latency requirement
4. The connectivity requirement
2
March 2016 June 2017 Sept. 2018
5G studies launch
spectrum < 6 GHz spectrum > 6 GHz
specification enhancements product
IMT spectrum requiremens IMT vision
5G timeline in 3GPP and ITU
March 2021
Dec. 2020
(functionally frozen specs)
(officially frozen specs) (specs first release)
1. 5G timeline and requirements
3
User data rate
(Mbit/s) Area traffic capacity
(Mbit/s/m2)
Spectrum efficiency
(bit/s/Hz)
Mobility (km/h)
Latency (ms)
Reliability (%)
Battery life
(years)
Connection density
(km-2)
500
3x
103
10
1
106
10
99.999
(five 9)
400
10
1x
1
105
0.1
5G requirements (comparison with 4G)
5G (overall)
Advanced 4G
102
four 9
Legend:
1. 5G timeline and requirements
4
Latency requirements for new 5G services
New services
Applications such as immersive gaming, augmented reality, autonomous vehicles, etc. (grey section of Figure) are examples of previously not possible use-cases.
GSMA service map
1. 5G timeline and requirements
5
Tactile Internet
Rappresentazione funzionale dell’architettura “Tactile Internet”.
Il dispositivo tattile consente all'utente di toccare, sentire, manipolare oggetti in ambienti reali e virtuali, e controllarne il funzionamento in un dominio controllato.
Un teleoperatore controllato dal dominio master attraverso segnali di comando (nessuna conoscenza a priori dell’ambiente) che fornisce segnali di feedback, chiudendo così un circuito di controllo globale.
2. New services
Periferia tattile composta,
ad esempio, di robot
comandati da sito remoto
Operatori con interfaccia
tattile uomo-macchina
(può essere distribuita)
Trasmissione via
Internet di informazioni
audiovisive e tattili
Nucleo di rete e accesso radio per
assicurare le telecomunicazioni e il
motore intelligente di supporto tattile
6
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
• 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
Requisito di latenza fra 10 ms e 1 ms.
• Web page test per caricare la home-page del sito «La Repubblica» da Bruxelles il 12 marzo 2017 con Google Chrome
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Waterfall View
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www.webpagetest.org
3. The latency requirement 10
Misure di latenza in reti 4G
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.
(a) (b) DHCP= network server that automatically assigns IP addresses
3. The latency requirement 11
5G 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).
https://www.edn.com/5G/4458325/What-is-5G-NR-
Del 5G sono previste due fasi: • Rel-15 sarà la “phase 1” (lancio 2019-2020) • Rel-16 sarà la “phase 2” (lancio 2021).
3. The latency requirement 12
Ridurre 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
Source: Ericsson, 2017
5G NR
Target
3. The latency requirement 13
S. Mangiante (Vodafone), "Fog and Edge Computing in telecom networks", 2017 presentation
14
Avvicinare le funzioni all’end-user
3. The latency requirement
Tens of
Thousands sites
Evoluzione verso le architetture virtualizzate
Note: BBU = Base Band Unit; RRH = Remote Radio Head; MME = Mobility Management Entity; SGW = Serving Gateway; PGW = PDN Gateway
Current
Architecture
MME
SGW
PGW
S1
S1
Backhaul Mobile Core Network
Big Internet
OTT
Content/App
Server Aggregation Network EPC - Evolved
Packet Core
~ Ten nodes
L3 IP Transport NOT visible L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed)
End-user devices
QoE platform
Cloud
MME
SGW
PGW
S1
S1
Backhaul Mobile Core Network
Big Internet
OTT
Content/App
Server
Aggregation Network
EPC
L3 IP Transport L3 IP Transport visibility (QoE & Cloud Platforms allowed)
Fronthaul Access
Network
BBU pool
BBU pool
RRH
RRH
RRH
RRH
RRH
Virtualization
Cloud RAN
V-EPC
End-user devices
Virtualized
Architecture
Virtualization
X2
Ir
15 3. The latency requirement
Problema 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)
16 4. The connectivity requirement
Architetture 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.
17 4. The connectivity requirement