Analisi di forme d'onda multiportante per sistemi di quinta generazione

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni

TESI di LAUREA

ANALISI DI FORME D’ONDA MULTIPORTANTE

PER SISTEMI DI QUINTA GENERAZIONE

RELATORI: Prof. Filippo Giannetti

CANDIDATO:

Prof. Vincenzo Lottici Giacomo Pera

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INDICE

Lista Acronimi ………...6

INTRODUZIONE .………8

CAPITOLO 1 …..………10

1.1 Evoluzione delle reti radiomobili ………10

1.1.1 La prima generazione (1G) ………..………11

1.1.2 La seconda generazione (2G) ………12

1.1.3 La terza generazione (3G) ………..….………14

1.1.4 La quarta generazione (4G) ………15

1.2 Internet of Things e Machine Type Communication ………17

1.3 Machine-Tpe Communication su rete 4G-LTE ………22

CAPITOLO 2 ………25

2.1 Verso la quinta generazione ………25

2.2 Scenari e Driver della quinta generazione ………27

2.3 Fattori chiave del 5G ………35

2.4 Timeline 5G ………41

CAPITOLO 3 ………43

3.1 4G – LTE, Long-Term Evolution ………...43

3.2 LTE: Il Livello Fisico ………47

3.3 OFDM: Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ………51

3.4 I Limiti dell’OFDM ………60

CAPITOLO 4 ………63

4.1 La Filtered-OFDM ………63

4.2 La Masked-OFDM ………67

4.3 MOFDM ed OFDM: Analisi dell’efficienza spettrale ……….71

CAPITOLO 5 ………77

5.1 L’Ambiente di sviluppo LabVIEW ………77

5.2 Generazione e trasmissione dei segnali ………..79

5.3 L’Algoritmo di sincronizzazione ………85

5.4 Ricezione ed elaborazione dei segnali ………....91

4

5.6 Lo Scenario delle simulazioni ………98

CAPITOLO 6 ………103

6.1 Analisi delle Risultati ……….103

6.2 Prestazioni: Segnale NarrowBand ………105

6.3 Prestazioni: Segnale BroadBand ………108

CONCLUSIONI ………111

Appendice A: Codice LabVIEW ………112

Appendice B: Datassheet NI-USRP 2920 ………118

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LISTA ACRONIMI

3GPP = 3rd Generation Partnership Project AWGN = Additive White Gaussian Noise

BS = Base Station

bps = bit per second

BB = BroadBand

CA = Carrier Aggregation

CDMA = Code Division Multiple Access

CN = Core Network

CP = Cyclic-Prefix

dB = deciBel

DSP = Densità spettrale di potenza D2D = Device-to-Device communications DAB = Digital Audio Broadcasting DAC = Digital-Analog Converter DFT = Discrete Fourier Transform

EDGE = Enhanced Data rata for GSM Evolution EVM = Error Vector Magnitude

FFT = Fast Fourier Transform FBMC = Filter Bank Multi Carrier FOFDM = Filtered-OFDM

FIR = Finite-Impulse Responce

FDD = Frequency -Division Duplexing FDM = Frequency Division Modulation FDMA = Frequency Division Multiple Access

FM = Frequency Modulation

GFDM = Generalised Frequency Division Multiplexing

G = Generazione

GHz = GigaHertz

GPRS = Global Packet Radio Service

GSM = Global System for Mobile communication

Hz = Hertz

HSPA = High Speed Packet Access

H2H = Human-to-Human

HTC = Human-Type Communication

ICI = Inter-Carrier Interference

ITU = International Telecommunication Union ITU = International Telecommunication Union IoT = Internet of Things

IP = Internet Protocol

IDFT = Inverse Discrete Fourier Transform IFFT = Inverse Fast Fourier Transform

kHz = KiloHertz

LoS = Line-of-Sight

LTE = Long-Term Evolution

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MTC = Machine Type Communication

MOFDM = Masked-OFDM

mMTC = Massive Machine Type Communications mM2M = Massive Machine-to-Machine Communications mMIMO = massive Multiple-Input, Multiple-Output M2M = Matchine-to-Machine Communication

MHz = MegaHestz

mmWave = Millimeter wave

METIS = Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society

MCM = Multi-Carrier Modulation

MIMO = Multiple-Input and Multiple-Output) MIMO = Multiple-Input, Multiple-Output

NB = NarrowBand

NI = National Instruments

OSI = Open Systems Interconnection

OFDMA = Orthogonal Frequency-Division Multiple Access OFDM = Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OoBE = Out-of-Bound Emissions

PAPR = Peak-to-Average Power Ratio

PHY = Physical Layer

PRBS = Pseudo-Random Binary Sequence QAM = Quadrature Amplitude Modulation QoS = Quality of Service

RAN = Radio access Network RAN = Radio Access Network

RF = Radio-Frequenza

RB = Resource Block

RE = Resource Element

RX = Ricevitore

SCA = Schmidl-Cox Algorthm SMS = Short Message Service

SINR = Signal-to-Interference plus Noise Ratio SNR = Signal-to-Noise Ratio

SC-FDMA

= Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access SC = Sub-Carrier

TDD = Time -Division Duplexing TDMA = Time Division Multiple Access TX = Trasmettitore

UFMC = Universal Filtered Multi- Carrier

UMTS = Universal Mobile Telecommunication System USRP = Universal Software Radio Peripheral

USRP = Universal Software Radio Peripheral

UE = User Equipment

UE = User Equipment

VI = Virtual Instrumentation

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INTRODUZIONE

La società dei prossimi anni sarà una società costantemente connessa. La tecnologia wireless ha notevolmente modificato il modo in cui utilizziamo i sistemi di comunicazione e fornito la flessibilità necessaria per rispondere all’esigenza di connettività di una società in continuo movimento. I cellulari, inizialmente concepiti come strumento in grado di estendere il servizio fonico e slegarlo dai rigidi vincoli della rete fissa, si sono rapidamente evoluti in versatili dispositivi multimediali, capaci di gestire una variegata eterogeneità di servizi, ed arrivando persino a modificare i nostri comportamenti e le nostre abitudini. Già adesso, le società e le economie mondiali sono strettamente vincolate alla presenza di una sviluppata ed efficiente infrastruttura per le telecomunicazioni ed in futuro, tale legame risulterà ancora più indissolubile. Tale infrastruttura dovrà quindi essere in grado di supportare, ed anticipare, i cambiamenti di una società in costante trasformazione, adattandosi ed integrandosi con essa. Fin dalla sua nascita, agli inizi degli anni ottanta, i sistemi e le reti di comunicazione mobili, sono state caratterizzate da una continua evoluzione. Varie generazioni di dispositivi si sono susseguite nel tempo, ognuna accompagnata dall’integrazione di nuovi e rivoluzionari servizi accessori, approssimativamente ogni decina di anni. Partendo da una tecnologia puramente analogica, capace di gestire limitate quantità di traffico fonico, siamo giunti ad una rete che fornisce una connettività pressoché globale, in grado di supportare servizi multimediali, ed una mole di dati sempre maggiore. E la sua evoluzione non è ancora terminata.

Ci troviamo infatti davanti ad una epoca di grandi cambiamenti nel mondo delle telecomunicazioni. Secondo quanto stimato dagli operatori del settore, il numero di dispositivi portatili, quali smartphone, laptop e tablet, e il traffico da essi generato, è destinato a crescere in maniera esponenziale nei prossimi anni1. Contemporaneamente a questo, il progredire del processo tecnologico, e la conseguente riduzione dei costi dei componenti, hanno esteso la capacità di connettersi alla rete ad una vastissima gamma di apparecchiature, originando il così detto “Internet

[1] Afif Osseiran et al., "Scenarios for 5G Mobile and Wireless Communications: The Vision of the METIS Project" - IEEE Communications Magazine, vol.52, no.5, pag.26-35, Maggio 2014.

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of Things” (IoT), che creerà miliardi di nuove comunicazioni. Per distinguerle da quelle in cui è l’essere umano l’utilizzatore finale, queste tipologie di comunicazioni vengono generalmente riferite con il termine di Machine Type Communication (MTC), o Machine-to-Machine Communication (M2M). Avendo impiegato decenni per ottimizzare le reti di telecomunicazione, per supportare un traffico di tipo fonico o legato a servizi di messaggistica e web browsing, ci troviamo adesso a fronteggiare un traffico MTC che presenta caratteristiche totalmente differenti da quello a cui siamo abituati, e che male si addice alla corrente architettura di rete.

La quinta generazione dello standard per reti di comunicazione mobili (5G), attualmente in fase di discussione, nasce proprio con lo scopo di superare i limiti degli odierni sistemi di comunicazione, per fornire l’infrastruttura fondamentale a garantire la connettività per qualsiasi dispositivo che tragga beneficio dall’essere connesso ad una rete. L’architettura del 5G dovrà quindi modificarsi radicalmente rispetto a quella delle generazioni precedenti, in modo da riuscire a gestire una base di utenti sensibilmente maggiore di quella attuale, e supportare in maniera efficiente, sia le comunicazioni human-oriented, sia quelle machine-oriented.

C’e molto da guadagnare nel progettare una singola infrastruttura capace di integrare servizi così eterogenei tra loro, ma questo pone davanti a sfide tecnologiche tutt’altro che banali, che richiederanno l’adozione di soluzioni specifiche per risolvere i problemi originati da questa difficile convivenza. Si renderà necessaria la migrazione verso frequenze superiori alle decine di GHz, e nuove interfaccia radio, che permettano un più efficiente utilizzo dello spettro, dovranno essere studiate ed implementate. Muovendoci in tal senso, questo lavoro si è concentrato nell’analizzare due forme d’onda multiportante proposte per i sistemi radiomobili di quinta generazione, la Masked-OFDM e la Filtered-OFDM. Tramite l’ambiente di sviluppo LabVIEW è stato valutato il guadagno, in termini di efficienza spettrale, nell’impiegare queste modulazioni in sostituzione ad un tradizionale segnale multiportante. Successivamente, avvalendosi delle NI-USRP (National Instruments - Universal Software Radio Peripheral) è stata implementata la ricetrasmissione di questi formati di segnalazione, in presenza di un interferente, valutandone le rispettive prestazioni, al fine di comprovare la bontà della loro candidatura per la futura generazione di sistemi di comunicazione radiomobili.

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CAPITOLO

1

1.1 Evoluzione delle reti radiomobili

Viviamo in una epoca segnata dallo sviluppo della tecnologia digitale, che ha letteralmente rivoluzionato qualsiasi aspetto della nostra vita. I sistemi di telecomunicazione mobili hanno trasformato il modo in cui le persone comunicano. L’avvento dei cellulari e la diffusione dei social media hanno modificato radicalmente le nostre abitudini, il nostro linguaggio e perfino il modo di relazionarci con gli altri. Che lo desideriamo o meno, viviamo in una società costantemente connessa. In media, ognuno di noi possiede uno smartphone, un laptop ed un tablet, che utilizziamo quotidianamente nella maggior parte delle nostre attività; per lavoro, per l’intrattenimento, oppure semplicemente per navigare e fare acquisti sul web. Si stima che attualmente ci siano più di cinque miliardi di utenti della rete radiomobile cellulare2, un numero oltre le quattro volte superiore rispetto alle utenze telefoniche attive3, segno di una netta migrazione verso una tecnologia wireless, almeno per quanto riguarda l’accesso alla rete di comunicazione.

Dalla loro comparsa fino ad oggi, le reti radiomobili hanno subito una continua evoluzione nella loro struttura, adattandosi ed integrandosi sempre più alla società contemporanea. Varie generazioni di sistemi e dispositivi mobili, generalmente una ogni dieci anni, hanno accompagnato questa evoluzione, dove con il termine “generazione” (G) si è soliti far riferimento ad un cambiamento nella natura del servizio offerto dalla rete, l’adozione di nuove bande frequenziali ed una modifica delle caratteristiche trasmissive, generalmente non retro-compatibile.

Per apprezzare meglio l’impatto di questi cambiamenti, basta osservare i dispositivi commerciali che hanno accompagnato le varie generazioni. La richiesta di supportare nuovi servizi, in maniera sempre più efficiente, ha spinto l’industria a modificare, sia nella struttura sia nell’aspetto i terminali mobili come appare ben visibile in Figura 1.1.

[2] ERICCSON, “5G Radio Access,” ERICCSON White Paper, Uen 284 23-3204 Rev C, Aprile 2016 [3] ITU - “Measuring the Information Society Report” – Mis2014 – ITU, 2014. [Risorsa disponibile Online: https://www.itu.int/en/ITU-D/Statistics/Documents/publications/mis2014/MIS2014_without_Annex_4.pdf ]

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Figura 1.1 – Evoluzione dei terminali mobili38

Nel giro di pochi anni, i telefoni cellulari si sono trasformati in potenti e versatili smartphone. Il trend di miniaturizzazione, che aveva accompagnato le prime generazioni, si è nettamente invertito in favore di dispositivi con dimensioni maggiori, quando l’evoluzione della tecnologie ha permesso di supportare servizi di web browsing e di video-streaming. Grazie alla tecnologia “touch”, la tastiera fisica è stata eliminata in favore di un display più ampio, che ricopre la quasi totalità del dispositivo, in modo da garantire una migliore fruizione dei contenuti multimediali da parte degli utenti. Nel proseguo di questo paragrafo verranno indicate per le varie generazioni delle reti radiomobili, alcuni cenni storici e le principali specifiche tecnologiche che le hanno accompagnate.

1.1.1 La prima generazione (1G)

Il 3 Aprile del 1973, davanti all’ingresso di un hotel Hilton a New York, fu effettuata la prima chiamata da un dispositivo mobile4. Avvenne tra Martin Cooper, l’allora project manager di Motorola, e Joel Engel, direttore dei “Bell Labs”. Fu così che la prima telefonata cellulare della

[38] da https://storify.com/yonathan32/the-evolution-of-cell-phones (Rielaborata)

[4] Biagio Simonetta, “Quarant’anni fa la prima telefonata da cellulare della storia,” - Il Sole 24 Ore, Aprile 2013 [Risorsa disponibile online: http://www.ilsole24ore.com/art/tecnologie/2013-04-02/quarantanni-prima-telefonata-cellulare-122513.shtml?uuid=Abs4EcjH].

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storia si consumò come beffa tra due manager concorrenti. Il primo cellulare, il DynaTAC 8000X, era un apparecchio scomodo e ingombrante, dal peso considerevole, tanto da meritarsi il soprannome “The Brick” (il mattone), eppure capace di cambiare il mondo.

Da lì a poco, nel 1979, la prima rete cellulare al mondo divenne operativa a Tokyo (Giappone), e agli inizi degli anni ottanta tali reti si diffusero anche in Europa e Stati Uniti, ma la adozione di standard differenti da parte delle singole nazioni, rese impossibile l’interoperabilià ed il roming tra paesi differenti. Tutti questi sistemi di prima generazione trasmettevano in modalità analogica ed erano in grado di gestire un traffico solamente di tipo fonico. Seppur con alcune differenze, le frequenze utilizzate ricadevano nella banda 800 – 900 MHz, con una canalizzazione di 30 kHz, e per la trasmissione veniva impiegate una modulazione di frequenza (FM) e una tecnica di accesso multiplo di tipo FDMA (Frequency Division Multiple Access). A causa delle limitazioni tecnologiche, imposte principalmente dalla natura analogica dei segnali, i sistemi 1G soffrivano di basse capacità, scarsa qualità della voce, handover inaffidabili, che spesso si traducevano nella terminazione della chiamata nel passaggio da una cella all’altra ed erano totalmente privi di qualsiasi elemento di crittografia, cosa che rendeva estremamente facile intercettare tali comunicazioni. Queste limitazioni furono in larga parte corrette con la successiva generazione, e l’adozione della tecnologia digitale.

1.1.2 La seconda generazione (2G)

La seconda generazione (2G) rappresenta la prima evoluzione delle reti di comunicazioni mobili e costituisce una vera e propria rivoluzione rispetto ai precedenti sistemi, grazie all’adozione di una trasmissione interamente di tipo digitale. L’esigenza di progettare una singola infrastruttura che garantisse una connettività unificata attraverso differenti nazioni, spinse le rappresentanze di tredici paesi europei a firmare un memorandum d'intesa, nel 1897 a Copenhagen5, nel quale veniva sancito l’impegno a sviluppare un sistema di telefonia cellulare unico, condiviso tra quei paesi che di lì a poco avrebbero dato vita all’Unione Europea. Venivano così gettate le basi per il GSM, (Global System for Mobile communication), la cui rete fu attivata per la prima volta nel Luglio del 1991 in Finlandia, e ben presto divenne lo standard de facto tra i sistemi di seconda generazione, almeno per quanto riguarda il continente europeo .

[5] Anton A. Huurdeman, “The Worldwide History of Telecommunications” - John Wiley & Sons, Pag.529, Luglio 2003.

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Il GSM è considerato infatti il primo standard multimediale poiché, oltre al tradizionale servizio di tipo fonico, permette anche l’invio di brevi messaggi di testo, meglio noti come SMS (Short Message System). Inizialmente snobbati dagli operatori di rete, gli SMS ottennero una penetrazione del mercato così elevata che, in alcune regioni, il traffico associato agli SMS costituiva la maggior parte del traffico complessivo gestito dalla rete6. Oltre all’introduzione degli SMS, la digitalizzazione del segnale ha permesso di superare molte delle limitazioni caratteristiche della prima generazione, ottenendo una migliore qualità nelle chiamate vocali, una maggiore sicurezza grazie all’introduzione di appostiti algoritmi di crittografia, ed un minor consumo di energia in modo da estendere la durata della batteria dei dispositivi mobili, tutti fattori che hanno determinato l’incredibile successo commerciale dei terminali GSM.

Dal punto di vista trasmissivo, il GSM utilizza una tecnica di accesso al mezzo ibrida FDMA/TDMA (Time Division Multiple Access), su una banda frequenziale così ripartita:

 890 – 915 MHz – Uplink: comunicazione da terminale mobile verso la rete  935 – 960 MHz – Downlink: comunicazione dalla rete verso il terminale mobile

Questi 25 MHz di banda sono ulteriormente suddivisi in 124 sotto-portanti (124 canali), con ampiezza di 200 kHz. Ogni sotto-portante viene poi gestita con tecnica TDMA e quindi suddivisa in 8 time-slot, ognuno dei quali può essere associato ad un utente differente, permettendo così fino ad otto chiamate contemporaneamente per ogni sotto-portante. A queste frequenze, sono state poi aggiunte con le release successive dello standard altre due bande, con identica struttura, intorno alla frequenza dei 1800 MHz per aumentare la capacità complessiva della rete.

Con la seconda generazione il numero degli utenti connessi alla rete aumenta considerevolmente. Il cellulare diventa uno strumento di uso quotidiano e si comincia ad avvertire la necessità di dispositivi capaci di garantire anche l’accesso alle reti dati, in modo da potersi connettere ad Internet dal proprio terminale mobile. Basato ancora su un instradamento del traffico a commutazione di circuito, il GSM non era in grado di rispondere a tali esigenze. Per questa ragione vengono avviati i lavori che porteranno, nel giro di pochi anni, a definire il GPRS (Global Packet Radio Service), uno standard che comporta una serie di modifiche sia nell’interfaccia radio sia nella struttura della rete GSM, ed aggiunge protocolli di trasporto orientati verso una comunicazione a commutazione di pacchetto, che meglio si addice per gestire un traffico di tipo “dati”. Il GPRS

[6] Amit Kumar et al., “Evolution of Mobile Wireless Communication Networks: 1G to 4G”, International Journal of Electronics & Communication Technology (IJECT), vol. 1, Issue 1, Dicembre 2010

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viene poi ulteriormente migliorato grazie all’adozione di una serie di protocolli specifici, riuniti sotto l’acronimo EDGE, che permettono, tra le altre cose, l’utilizzo di modulazioni con ordine superiore, e una riduzione delle latenze della comunicazione. Considerata loro natura, GPRS ed EDGE rappresentano il primo significante passo verso la terza generazione di reti radiomobili cellulari e per tanto vengono spesso riferiti con il termine 2.5G.

1.1.3 La terza generazione (3G)

L’avvento del GPRS/EDGE aveva introdotto la possibilità per gli utenti di effettuare l’accesso alla rete dati tramite i propri dispositivi mobili. Questo comportò una rapida crescita nella domanda di una rete sempre più efficiente e capace di supportare tutti quei nuovi servizi che si stavano rapidamente affermando, sfruttando la capacità dei terminali di connettersi al web. La terza generazione (3G) viene introdotta proprio con l’esigenza di rispondere alla richiesta di capacità e velocità trasmissive più elevate che permettessero agli utenti una migliore fruizione dei servizi collegati ad Internet, anche dai propri cellulari. Per garantire questo è stato necessario modificare strutturalmente l’infrastruttura di trasporto dati della rete 3G, favorendo l’instradamento a commutazione di pacchetto rispetto a quello a commutazione di circuito che aveva accompagnato le generazioni precedenti.

Così, dopo lunghe e difficile consultazioni, l’ITU (International Telecommunication Union), l’ente predisposto alla ratificazione degli standard nel campo delle telecomunicazioni, con la delibera “International Mobile Telecommunications – 2000”, definì le linee guida per lo sviluppo della terza generazione delle reti cellulari, che ha portato alla nascita dell’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Basato su un accesso multiplo di tipo CDMA (Code Division Multiple Access) , l’UMTS garantisce una migliore efficienza di rete, in quanto permette di utilizzare le stesse frequenze anche in stazioni radiobase (BS) adiacenti, senza introdurre un livello eccessivo di interferenza ed eliminando così le problematiche relative all’allocazione delle frequenze che affliggono celle geograficamente vicine.

La prima rete commerciale 3G fu lanciata il 1 Ottobre 2001, in Giappone. In Europa suddetta tecnologia è stata introdotta solamente due anni più tardi, nel Marzo 2003. Il ritardo fu principalmente dovuto al travagliato processo relativo all’assegnazione delle frequenze operative. Le bande frequenziali 1.885-2.025 MHz e 2.110-2.200 MHz, inizialmente selezionate, risultavano infatti già allocate ad altri servizi in vari paesi. Fu quindi necessario indicare ulteriori porzioni dello

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spettro da riservare per i servizi di telefonia di terza generazione, fattore che dilatò ulteriormente i tempi di messa in opera dell’intera infrastruttura.

Nonostante i ritardi che occorsero nella sua introduzione, l’UMTS, anche nelle sue prime versioni, venne accolto in maniera molto favorevole dai consumatori, poiché garantiva velocità trasmissive sensibilmente maggiori rispetto ai sistemi 2G, ovvero fino a 2 Mbps per collegamenti stazionari e fino a 384 kbps nel caso di terminali mobili con velocità limitate. Questi data rate furono poi notevolmente incrementati grazie all’introduzione dei protocolli HSPA (High Speed Packet Access), al finale degli anni 2000, che furono responsabili di una vera e propria rivoluzione nel mondo delle comunicazioni mobili. Grazie a significative modifiche dell’interfaccia radio, come la possibilità di utilizzare costellazioni di ordine più elevato, e l’introduzione di tecniche MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output), le ultime Release dello standard permettono attualmentedi raggiungere data rate (teorici) fino a 337 Mbps per il downlink e 34 Mbps per l’uplink uplink7. la migliorata capacità offerta dalle rete 3G ha reso possibile effettuare, anche dal proprio terminale mobile, conference-call, la riproduzione di filmati in streaming o la condivisione sui social media di foto e video generati dagli utenti. Tutti questi servizi, i cui elevati requisiti trasmissivi, erano incompatibili per le precedenti generazioni, hanno dettato le linee guida per la definizione dell’attuale 4G.

1.1.4 La quarta generazione (4G)

La quarta generazione, conosciuta anche con l’acronimo LTE (Long-Term Evolution) rappresenta lo stato dell’arte delle reti di comunicazioni mobili. Nata come evoluzione dei sistemi 3G, l’LTE si prefissa l’obiettivo di incrementare la capacità e la velocità del collegamento wireless, in modo da garantire un servizio affidabile ed efficiente in qualsiasi condizione ed in qualsiasi scenario. Per fare questo si è reso necessario un processo di standardizzazione unificato su scala mondiale, che ha favorito la diffusione dell’LTE in oltre 170 paesi8, secondo le stime effettuate nell’Agosto 2016. Le prime discussioni riguardo lo sviluppo di una nuova tecnologia che continuasse lungo il percorso intrapreso con gli standard HSPA risalgono al Novembre 2004, quando si dovette riconoscere la

[7] 3GPP, “Universal Mobile Telecommunications System (UMTS): UE Radio Access capabilities” - 3GPP, TS 25.306 version 11.10.0, release, Gennaio 2015

[8] GSA, “GSA confirms 521 LTE networks launched, LTE-Advanced now mainstream”- GSA [Risorsa disponibile Online: http://gsacom.com/press-release/gsa-confirms-521-lte-networks-launched-lte-advanced-now-mainstream/]

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necessità si sviluppare una nuova rete che garantisse migliori prestazioni in termini di mobilità, efficienza spettrale, sicurezza e latenze inferiori. Apparve chiaro fin da subito che per adempiere a tali requisiti era necessario ripensamento notevole sia dell’interfaccia radio sia della struttura della rete. Fu così che nel Dicembre 2008 venne formalmente ratificato lo standard 4G, il cui primo dispiegamento commerciale si ebbe l’anno successivo in Svezia. Se paragonato con i sistemi della precedente generazione, l’LTE introduce notevoli modifiche sia a livello trasmissivo, sia nella struttura della rete. Per quanto riguarda l’interfaccia radio, che sarà trattato più nel dettaglio nel proseguo di questo lavoro, la scelta naturale ricadde sull’utilizzo dell’OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), una tecnica di modulazione digitale multiportante impiegata da alcuni anni e con proficui risultati in numerosi standard di comunicazione. Con la quarta generazione si ha poi l’adozione di una architettura di rete basata completamente su IP (Internet Protocol), in modo da sviluppare una unica piattaforma condivisa che fornisca l’infrastruttura sulla quale sviluppare le differenti tipologie e standard di comunicazione.

Nonostante le continue modifiche dettate da un processo di costante miglioramento, L’LTE rappresenta oggi una tecnologia matura, la cui diffusione si prevede raggiungerà il suo apice intorno agli anni 2025-2030. Siamo tuttavia all’alba di una nuova era nel mondo delle telecomunicazioni. Il diffondersi dell’IoT e l’avvento della MTC hanno evidenziato alcuni aspetti negativi del 4G. Avendo infatti impiegato decine di anni nell’ottimizzare l’infrastruttura di comunicazione mobile per supportare il traffico generato dai cellulari prima e da smartphone, laptop e tablet poi, ci troviamo adesso a fronteggiare una tipologia di comunicazione del tutto diversa, con specifiche e requisiti totalmente differenti da quelli a cui siamo soliti fare riferimento. Per questa ragione, sebbene ancora non siano state definite precise specifiche, il mondo delle telecomunicazioni già da alcuni anni si è cominciato ad interrogare su una nuova tipologia di rete di comunicazione, in grado di rispondere a questi cambiamenti, ponendosi la fatidica domanda: << Cosa verrà dopo? >>

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1.2 Internet of Things e Machine Type Communication

Nell’ambito dell’informazione e delle reti di comunicazioni l’Internet of Things (IoT), rappresenta il concetto secondo il quale oggetti ( “things”) appartenenti a contesti differenti, sono mutuamente connessi per formare una singola rete9. Sebbene le prime discussioni in merito risalgano alla fine degli anni novanta, l’argomento è diventato di estremo interesse solamente negli ultimi anni, quando, grazie allo sviluppo tecnologico, si è assistito alla nascita ed alla proliferazione di tutta una serie di dispositivi “smart” capaci sia di scambiare dati tra loro, sia di interfacciarsi con l’ambiente che li circonda e con l’infrastruttura di telecomunicazione. Per evidenziare il fatto che tali tipologie di comunicazione non richiedono, o richiedono solamente in minima parte, una interazione umama, queste generalmente vengono riferite come Machine-Type Communication (MTC) o Machine-to-Machine communication (M2M)10.

L’avvento della MTC ha permesso di migliorare servizi già esistenti e di introdurne di completamente nuovi, rendendo le nostre vite più semplici e sicure. Pur non rendendocene pienamente conto, ci troviamo già circondati da questa tecnologia. Basti pensare, per esempio, ai navigatori satellitari di ultima generazione disponibili sui nostri smartphone o sulle nostre autovetture. Questi dispositivi, collegandosi con la rete cellulare, sono in grado di scaricare, in tempo reale, informazioni aggiornate inerenti al traffico che incontreremo sul tragitto designato, consigliandoci un percorso piuttosto che un altro, in modo da raggiungere la nostra destinazione nel minor tempo possibile.

Tuttavia i vantaggi introdotti dalla MTC non si limiteranno solo al campo dell’ automotica. Come evidenziato in figura 1.2, le applicazioni che trarranno beneficio dall’autonoma capacità di comunicazione dei terminali spazieranno una vasta gamma di settori, quali trasporti, salute, sicurezza, automazione dell’industria, domotica e molti altri ancora.

Data l’eterogeneità dei campi di utilizzo, i servizi interessati dalla MTC saranno quindi caratterizzati da requisiti di funzionamento estremamente variegati tra loro, che differiranno in funzione dell’ applicazione considerata. Risulta quindi particolarmente complesso indicare delle

[9] Ivan Jovović, Ivan Forenbacher and Marko Periša, “Massive Machine-Type Communications: An Overview and

Perspectives Towards 5G” - 3rd International Virtual Research Conference In Technical Disciplines (RCITD), Zilina,

Ottobre 2015.

[10] M. Laner, et al., “Traffic models for machine-to-machine (M2M) communications: types and applications” - EURECOM, Aprile 2014.

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caratteristiche comuni, che risultino valide per la maggioranza delle MTC. In questo senso, per facilitare l’identificazione delle specifiche associate alla comunicazione M2M riferite ad uno specifico servizio, si è provveduto a definire alcune categorie che raggruppino le applicazioni con simili requisiti.

Figura 1.2 – Alcune delle possibili applicazioni delle MTC41

Nella letteratura, una prima distinzione è stata effettuata basandosi sulla direzionalità della trasmissione che coinvolge i dispositivi e l’infrastruttura di trasporto dati. In particolare vengono definite due categorie: data monitoring e data excange11. Data monitoring si riferisce alle applicazioni in cui la comunicazione è unidirezionale, ovvero dal dispositivo MTC verso la rete, e

[11] Tiago P. C. de Andrade, Carlos A. Astudillo and Nelson L. S. da Fonseca, “The Impact of Massive Machine Type

Communication Devices on the Access Probability of Human-to-Human Users in LTE Networks”, IEEE Latin-America

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comprende ad esempio servizi di monitoraggio o video-sorveglianza. La categoria data excange si riferisce invece ad applicazioni caratterizzate da una trasmissione bidirezionale. Il dispositivo MTC produce dei dati che vengono inviati tramite la rete di trasposto ad una server, il quale li processa e genera un feedback contenente le informazioni elaborate ed eventuali istruzioni per il terminale. Fanno parte di questa categoria ad esempio i navigatori satellitari che forniscono le informazioni di traffico in tempo reale.

Una ulteriore classificazione delle comunicazioni MTC, forse la più diffusa in letteratura, è quella di definire le categorie in modo piuttosto generale, basandosi sulla finalità per la quale un terminale o la rete di dispositivi MTC, vengano impiegati. Sono previste quattro classi e per ognuna di esse vengono indicati i requisiti di funzionamento associati alla tipologia di servizio offerto:

 Misurazione: racchiude quei servizi che prevede l’impiego di sensori che effettuano misurazioni periodiche ed inviano i dati ad un centro di controllo. Questa tipologia è generalmente caratterizzata da un elevato numero di apparati MTC i quali trasmettono periodicamente verso la rete (Uplink) una limitata quantità di dati. Tali trasmissioni possono essere periodiche o meno, e possono essere caratterizzate da un lunghi periodi di inattività tra una comunicazione e la successiva.

 Sicurezza e controllo: Questa categoria raccoglie le applicazioni in cui tramite dispositivi controllati in remoto sarà necessario monitorare un ambiente od un particolare scenario, ad esempio una strada molto trafficata, per ragioni di sicurezza o per ottimizzare il flusso veicolare. Per questa applicazione occorrerà quindi una tipologia di comunicazione affidabile e con stringenti vincoli sulla latenza.

 Tracking: comprende tutte quelle applicazioni che prevedono la necessità di effettuare un inventario o la catalogazione delle merci. oltre a permettere di tenere sotto controllo lo stato e la posizione dei prodotti durante il trasposto. Per questa ragione uno dei requisiti fondamentali dovrà essere la mobilità e la copertura della rete.

 Fatturazione: raggruppa tutti quei casi in cui è previsto un pagamento o una transazione economica, come ad esempio l’emissione dei ticket per il parcheggio. È quindi necessario garantire un livello di sicurezza della comunicazione adeguato

20

Nella tabella 1.1 qui a seguito sono riassunte le varie categorie in cui vengono suddivise le comunicazioni MTC. Per ognuna di esse sono state inoltre riportate alcune possibili applicazioni ed i requisiti associati alla tipologia di servizio considerato.

Service Function Application exemples Main Requirements

Metering Electric Power, gas, and water metering

 Support massive number of MTC device

 Small amount of data Security and Control System Industrial and home

application, surveillance

 High Reliability

 Low Latency

 High Security Tracking Fleet management and asset

tracking

 High Mobility

Payment Point of sale and vending machine

 High Security

Tabella 1.1 – Esempi di applicazioni MTC e i loro requisit17

Un ulteriore requisito da tenere in considerazione nella maggior parte delle applicazioni che coinvolgono la MTC è legato alla natura stessa dei terminali. Questi infatti, sia che si tratti di semplici sensori, sia che si tratti di apparecchiature più complesse, devono risultare economici ed a basso consumo energetico. L’esigenza di mantenere costi ridotti per singolo elemento è dettata dal fatto che, in molte applicazioni, come ad esempio nel caso di reti di sensori, può essere previsto un numero estremamente elevato di dispositivi MTC. Questi inoltre, possono essere frequentemente alimentati tramite una batteria interna, nel caso in cui risulti complicato collegarli direttamente alla rete energetica, e necessitano perciò di un consumo di energia contenuto, in modo da estendere la loro durata operativa.

Riassumendo quanto fin qui considerato, data l’eterogeneità dei servizi e delle applicazioni interessate dal diffondersi delle comunicazioni M2M, sebbene risulti problematico indicare delle caratteristiche comuni che identificano la MTC, valide per qualsiasi contesto considerato, è

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possibile indicare dei requisiti che devono essere soddisfatti, singolarmente oppure in contemporanea, a seconda della specifica applicazione considerata. In particolare:

 Elevato numero di dispositivi

 Ridotte quantità di dati

 Traffico uni-direzinonale (Uplink)

 Lunghe periodi di inattività dei dispositivi  Basse latenze

 Affidabilità  Sicurezza

 Bassi costi dei dispositivi  Ridotto consumo di potenza

Come è facilmente osservabile la maggior parte dei requisiti che caratterizzano le MTC risulta sostanzialmente differente da quelli associati ad una comunicazione che avviene tra due persone, definita Human-Type Communication (HTC) o Human-to-Human communication (H2H). Avendo impiegato anni per ottimizzare l’infrastuttura delle telecomunicazioni nel supportare un traffico di tipo H2H, l’introduzione e la convivenza di un elevato numero di MTC sulla medesima rete porterà a nuove ed impegnative sfide dal punto di vista tecnologico11. Tuttavia c’è molto da guadagnare nel riuscire ad integrare, in una singola rete di trasporto, entrambe le tipologie di comunicazione. In questo senso, alcune delle ultime release riguardanti lo standard 4G introducono delle modifiche

[11] Tiago P. C. de Andrade, Carlos A. Astudillo and Nelson L. S. da Fonseca, “The Impact of Massive Machine Type

Communication Devices on the Access Probability of Human-to-Human Users in LTE Networks”, IEEE Latin-America

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affinchè, seppur con limitazioni evidenti, alcune delle applicazioni MTC elencate in precedenza possano già essere supportate dall’attuale rete di comunicazione cellulare.

1.3 Machine-Tpe Communication su rete 4G-LTE

Grazie all’evoluzione del processo tecnologico stiamo assistendo ad una rapida diffusione delle MTC in numerosi servizi che porteranno a notevoli trasformazioni in moltissimi settori della nostra società. Si stima che entro il 2020, il numero di dispositivi capaci di stabilire una connessione con la rete supererà i 50 miliardi12. In uno scenario caratterizzato quindi da una elevata densità di apparecchiature in grado di scambiare informazioni, la MTC, combinata con tutte le tecnologie attualmente esistenti, rappresenterà la piattaforma per sviluppare una notevole varietà di nuove applicazioni. Queste necessiteranno quindi di una infrastruttura di comunicazione che sia adeguata a soddisfare i requisiti della MTC in modo da consentirne una ubiqua diffusione. Le comunicazioni M2M possono in realtà essere supportate da vari standard attualmente esistenti e già largamente adottati. Un primo tentativo è stato effettuato basandosi sulla tecnologia IEEE 802.11 con le sue relative estensioni. Tra queste è stato selezionato lo standard 802.11ah che supporta una trasmissione con potenze ridotte e permette una copertura piuttosto estesa basandosi sui sistemi Wi-Fi. Tuttavia questa tecnologia soffre di alcune pesanti limitazioni che condizionerebbero in negativamente il diffondersi delle MTC. Tra queste il fatto che tale standard operi su bande frequenziali non licenziate, il che rende i link di comunicazioni pesantemente soggetti ad interferenza.

La rete radiomobile cellulare, in particolare con la generazione 4G-LTE, è stata quindi considerata come una valevole soluzione per supportare le applicazioni basate sulla MTC. La sua già estesa diffusione permette di risparmiare notevolmente sui costi di installazione della rete e la sua copertura consente già di mettere in campo dispositivi MTC sia nelle are urbane, sia nella maggior parte del territorio rurale13. In aggiunta a questo, la rete cellulare, operando su frequenze riservate e disponendo di protocolli specifici per il controllo dell’interferenza, garantisce un maggior livello di

[12] CISCO, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021” - CISCO White Paper, Febbraio 2017.

[13] Hamidreza Shariatmadari et al., “Machine-type communications: current status and future perspectives toward 5G

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affidabilità della comunicazione. Tuttavia l’architettura dell’LTE è stata pensata per supportare una comunicazione H2H, caratterizzata da elevate quantità di dati sopratutto nel downlink, mentre la maggioranza delle applicazioni della MTC prevedono tipologie di traffico nettamente differenti: ridotte quantità di dati, principalmente in uplink, e con lunghi periodi di inattività. In aggiunta, l’interfaccia radio ed alcuni protocolli inizialmente adottati nello standard LTE risultano inadatti nel supportare una comunicazione machine-to-machine.

Gli attuali sistemi LTE necessitano infatti che un utente effettui la procedura di connessione ed identificazione alla rete prima di poter effettuare una trasmissione o una ricezione di dati. Questa introduce quindi un tasso di overhead che riduce l’efficienza della comunicazione, specialmente quando la quantità di dati da trasmettere è ridotta, come nel caso delle MTC. Secondo quanto specificato nello standard, per una trasmissione di 100 bytes informativi da un terminale verso l’eNodeB, la BS della rete LTE, vengono aggiunti 59 byte di overhead in uplink, e 136 byte di overhead in downlink13, il che si traduce in una efficienza di circa il 33.8%.

Alla procedura di accesso è legato anche una ulteriore problematica che si presenta quando un numero molto elevato di dispostivi MTC prova ad accedere alle risorse di rete simultaneamente, come ad esempio nel caso di una griglia caratterizzata da una elevata densità di sensori. Questi potrebbero essere programmati per trasmettere o ricevere determinate informazioni alla medesima ora o per reagire contemporaneamente ad un evento specificato. In questi casi è molto probabile che si verifichino situazioni di congestione in alcuni punti della rete, in particolare nella RAN (Radio Access Network), dovuti ad un elevato numero di dispositivi che tentano di accede alle risorse di rete contemporaneamente. Questo può causare ritardi difficilmente quantificabili, perdita di pacchetti e perfino l’interruzione del servizio, oltre al fatto che per ogni tentativo di accesso comporta un notevole consumo di potenza dei dispositivi MTC.

A tutte queste problematiche si è cercato di trovare una soluzione a partire dal Marzo 2013, quando con la ratifica della Release 11 dello standard LTE14, sono state discusse varie metodologie per risolvere i problemi di congestione nella procedura di accesso alla rete, mentre con le Release successive è stata introdotta una nuova tipologia di User Equipment (UE), definita “Category-0 UE”, caratterizzata da una tecnologia e capacità trasmissive decisamente ridotte rispetto ai normali

[13] Hamidreza Shariatmadari et al., “Machine-type communications: current status and future perspectives toward 5G

systems” - IEEE Communications Magazine, vol 53, Issue 9, 2015.

[14] ROHDE & SCHWARZ, “LTE-Advanced (3GPP Rel.11) Technology Introduction White Paper” - ROHDE & SCHWARZ White Paper, Luglio 2013

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terminali LTE ed associabile quindi ai più economici dispostivi MTC. Questa discussione ed il tentativo di far convivere un traffico MTC e HTC sulla medesima infrastruttura di trasporto dati sta aprendo il cammino verso la nuova generazione di reti radiomobili cellulari. Se da un lato si è finalmente capito la necessità di supportare in maniera efficiente le iterazioni macchina-macchina, dall’altro, la loro prevista diffusione e le loro variegate caratteristiche renderanno impossibile adattare l’attuale rete LTE a supportare questa tipologia di traffico. Da qui la necessità di investire nella ricerca e nello sviluppo di nuove soluzioni che portino alla definizione di una rete di comunicazione orizzontale, capace di gestiree qualsiasi tipologia di comunicazione, in modo da creare una unica piattaforma condivisa ed eterogenea che supporti gli attuali servizi e ne permetta la creazioni di nuovi.

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CAPITOLO

2

2.1

Verso la quinta generazione

La quarta generazione dei sistemi radiomobili cellulari, grazie al popolare standard LTE, rappresenta attualmente una tecnologia affermata, capace di ottenere, dalla sua introduzione nell’anno 2009, una sempre penetrazione crescente sui vari mercati globali, il cui apice si prevede verrà raggiunto intorno all’anno 2020. Tuttavia la continua domanda di connessioni sempre più veloci, l’incremento nel volume del traffico e la richiesta di una migliore qualità nel servizio (QoS) ha reso consapevoli i grandi operatori delle telecomunicazioni nonostante le modifiche apportate nel corso degli anni l’odierna 4G non riuscirà a soddisfare, nel prossimo futuro, le sempre più esigenti richieste da parte degli utenti12. Senza considerare il fatto che il panorama delle telecomunicazioni, momentaneamente dominato da una comunicazione H2H, sarà in futuro rivoluzionato dall’avvento della MTC, che permetterà l’introduzione di nuove applicazioni, caratterizzate da un insieme di requisiti molto eterogeneo.

Sebbene la presente generazione della rete radiomobile, grazie alle sue più recenti evoluzioni, sia in grado di supportare alcune delle applicazioni introdotte dalla MTC, per altre classi di servizi, la struttura del 4G, rappresenta un ostacolo insormontabile per la loro adozione e diffusione. Nasce quindi l’esigenza di sviluppare una nuova tipologia di rete in modo da riuscire a rispondere a suddette necessità. Nonostante non siano stata ancora formalmente definita alcuna specifica a riguardo, si prevede che la quinta generazione di sistemi di comunicazione mobili dovrà essere in grado, di gestire un elevato numero di dispositivi M2M contemporaneamente connesso alla rete (massive MTC (mMTC) o massive M2M (mM2M)), garantire elevate prestazioni anche per utenti in movimento (enhanced Mobile BroadBand (eMBB)) e supportare comunicazioni estremamente affidabili e con latenze contenute (Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC))15

[12] CISCO, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021” - CISCO White Paper, Febbraio 2017.

[15] Kun Chen Hu, Giacomo Pera, and Ana Garcia Armada, “Comparison of 5G candidate multi-carrier waveforms in

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richieste da specifici servizi nel campo della sicurezza stradale o della medicina. In figura 2.1 sono riportate le specifiche che guideranno lo sviluppo della quinta generazione. Il tutto cercando di incorporare in una unica infrastruttura di trasporto le già esistenti tecnologie LTE e Wi-Fi per facilitare la transizione verso il nuovo standard di comunicazione e creare così una unica rete ubiqua capace di garantire elevate prestazioni e soddisfare qualsiasi servizio.

Figura 2.1- Caratteristiche della quinta generazione e scenari applicativi39, 41.

Il 5G si troverà quindi ad operare in un ambiente estremamente eterogeneo, caratterizzato dalla presenza di differenti tecnologie, molteplici dispositivi ed una ancor più variegata possibilita di interazioni tra apparati.

Per questa ragione l’architettura della quinta generazione risulterà sostanzialmente differente se comparata alle precedenti versioni. Per supportare efficientemente la vasta gamma dei servizi

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ipotizzati, un interfaccia radio unica non sembra una scelta idonea1. Piuttosto l’interfaccia radio dovrà risultare più flessibile, offrendo differenti soluzioni in termini di frequenze, data-rate e modulazioni, sulla base dell’applicazione considerata. Ampie bande contigue dello spettro, tali da garantire elevate velocità trasmissive, saranno ottenute considerando lo spettro oltre i 6 GHz. L’impiego della tecnologia MIMO e mMIMO, permetterà di ottenere una maggiora efficienza trasmissiva, mentre l’introduzione di nuove forme d’onda multiportante, in sostituzione alla tradizionale OFDM, garantiranno una maggiore efficienza anche in presenza di uno spettro frammentato, faciliteranno cos’ la convivenza tra differenti tipologie di servizi e applicazioni.

2.2

Scenari e Driver della quinta generazione

Come precedentemente esposto, la coesistenza di HTC e MTC porterà ad un incremento nella varietà dei servizi disponibili. Sebbene alcuni di essi possano essere supportati dall’attuale infrastruttura di comunicazione e dai suoi futuri sviluppi, per altri sarà necessario soddisfare nuove e variegate specifiche1 che giustificano la già avviata discussione sulla prossima generazione di reti mobili.

Nonostante non sia stato ancora formalmente ratificato alcun documento tecnico a riguardo, si è reso evidente come 5G dovrà assicurare prestazioni più elevate in termini di data-rate, garantire una maggiore flessibilità e scalabilità, estendendo così la connettività ad un numero maggiore di dispositivi dai differenti gradi di complessità. Dovrà inoltre garantire requisiti più stringenti in termini di latenza ed affidabilità, imposti da applicazioni rivolte alla sanità, sorveglianza o al controllo del traffico. Il tutto contenendo il più possibile i costi di sistemi ed apparati.

Al fine di rivolgere l’attenzione sulle sfide che la quinta generazione si troverà a dover affrontare, sono stati istituiti appositi gruppi di lavoro, con l’obiettivo di definire, da un punto di vista ingegneristico, i requisiti fondamentali sui quali sviluppate la futura infrastruttura di comunicazione. A tale scopo, il progetto METIS, (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society), finanziato dalla commissione europea e considerata

[1] Afif Osseiran, "Scenarios for 5G Mobile and Wireless Communications: The Vision of the METIS Project" - IEEE Communications Magazine, vol.52, no.5, pag.26-35, Maggio 2014.

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una delle più autorevoli ricerche in merito16, ha individuato cinque scenari, ognuno dei quali associabile ad una specifica problematica trasmissiva che risulta incompatibile con l’attuale architettura di rete. Questi scenari, riferiti come “Amazingly Fast”, ”Great service in a crowd”, ”Best experience follows you”, “Super real-time reliable connections” e ”Ubiquitous things communicating” sono riportati in figura 2.2

Figure 2.2 – Scenari operativi dei sistemi 5G identificati dal progetto METIS,41

A partire dai suddetti scenari, descritti in termini generali, sono stati estratti una serie di casi reali, definiti Test Case (TC), che rappresentano un esaustivo campionamento delle principali situazioni riscontrabili nel quotidiano, e nelle quali si sono evidenziate le limitazioni dell’attuale quarta generazione. Ogni TC condivide quindi le problematiche associate agli scenari che lo identificano, le quali possono essere molteplici. Basandoci su queste sono state infine stimate e quantificate, mediante diversi parametri, le prestazioni che i nuovi sistemi di comunicazione dovranno garantire al fine di assicurare un corretto servizio per ognuno dei TC considerati. Seguendo lo stesso approccio “top-down”, cominceremo fornendo una breve descrizione di ciascun scenario, analizzandone alcuni degli aspetti più interessanti, per ricavare infine le prestazioni ipotizzate dalla ricerca condotta dal METIS

[16] EUROPEAN COMMISSION, “Mobile Communications: Fresh €50 million EU research grants in 2013 to

develop '5G' technology” – EU Press Release, Febbraio 2013, [Risorsa disponibile Online:

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 “Amazingly Fast”: Questo scenario individua l’esigenza di una connettività immediata, cioè senza tempi di attesa introdotti dalla rete di comunicazione, nella quale i servizi avranno un comportamento fulmineo (“flash-behaviour”). Un singolo click e la risposta sarà percepita come istantanea17. Questo comportamento rappresenterà un fattore crucialee per la diffusione dei servizi di cloud computing anche sui terminali mobili, e per la creazione di nuove applicazioni professionali nelle quali elevate quantità di traffico saranno condivise in maniera interattiva tra più utenti. Un esempio di quanto detto è rappresentato dal “Virtual reality office” dove GByte di dati, originati magari da software di progettazione o di modellistica 3D, verranno condivisi tra utenti geograficamente distanti, permettendo la stessa interattività come se tutti i componenti fossero fisicamente presenti nella medesimo luogo. Per soddisfare questa tipologia di servizi si stima che i data-rate supportati dovranno essere superiori al Gbps, e ciò richiederà lo sviluppo di una nova e più efficiente interfaccia radio.

 “Great service in a crowd”: Questo scenario sottintende il bisogno di fornire prestazioni soddisfacenti, in termini di data-rate, anche in luoghi gremiti di persone, come stadi, centri commerciali, festival o eventi all’aria aperta, ingorghi stradali o su affollati mezzi pubblici. L’attuale infrastruttura di comunicazione mobile, è progettata in modo tale da fornire una connettività a banda larga e velocità elevate solamente quando in presenza di un numero ridotto di utenti contemporaneamente connessi alla rete. Nel caso di aree con una elevata concentrazione di dispositivi, le capacità si riducono significamentee o viene negato del tutto il servizio a causa di un sovraccarico di rete, come accade ogni anno durante la celebrazione di San Ranieri, nella città di Pisa. Nel futuro ci si aspetta che, anche in queste particolari circostanze, sia garantito un servizio soddisfacente. Per questa ragione è stato definito il TC “stadio” nel quale centinaia di migliaia di utenti per km2

, dovranno essere in grado per tutta la durata della manifestazione, di riprodurre video HD delle azioni salienti del match o della performance musicale nel caso di concerti, e condividere streaming live e foto ad alta definizione sui social network. Dato l’aumento delle dimensioni dei display dei terminali e le risoluzioni di foto e video sempre più elevate in alcuni casi si prevede che il

[17] Petar Popovski et al., “Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system” – METIS, Deliverable D1.1, ICT-317669, Aprile 2013.

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traffico, per singolo utente, raggiungerà valori di oltre i 9 Gbps/ora durante l’evento in questione, il che rappresenta una notevole sfida per i sistemi di nuova generazione, che richiederà una combinazioni di fattori come una maggiore densità di BS, data-rate più elevati e minori latenze.

 “Best experience follows you”: Con questa tipologia di scenario si vuole porre in evidenza il fatto che la stessa connettività deve essere garantita sia per utenti stazionari, sia per quelli in movimento. Questi camminano per la città, spostandosi a bordo di una vettura o di un treno ad alta velocità, dovranno avere l’impressione che la rete di comunicazione li stia seguendo, persino nelle situazioni in cui attualmente si riscontra una scarsa copertura, come durante l’attraversamento di aree rurali scarsamente abitate. Gli utenti radiomobili, indipendentemente dalla loro posizione, dovranno essere capaci di sperimentare data rate almeno 100 Mbps in down link e 20 Mbps in uplink, mantenendo una latenza end-to-end al di sotto di 100 ms17. In questo caso quindi la sfida sarà quella di garantire una comunicazione robusta ed affidabile anche a fronte di situazioni sfavorevoli dal punto di vista trasmissivo, ed implementare nuovi e più efficienti protocolli legati alla mobilità dei terminali.

 Super real-time and reliable communications: L’attuale generazione di rete mobile è stata progettata considerando le specifiche di affidabilità e latenza collegate ad una comunicazioni di tipo H2H. Nel prossimo futuro a queste si aggiungeranno le MTC, le quali introducendo nuove applicazioni in campi quali sicurezza stradale, l’ industria o la sanità richiederanno requisiti di latenze ed affidabilità più stringenti se confrontati a quelli attualmente garantiti. Le minori latenze derivano dal fatto che le macchine automatizzate saranno capaci di processare le informazioni in maniera più rapida ed efficiente rispetto all’essere umano. Mentre la maggiore affidabilità sarà richiesta da servizi quali “Traffic efficiency and safety” dove reti di sensori saranno in grado di scambiarsi informazioni in real-time, (cioè con ritardi inferiori ai 5 ms), in modo da mettere al corrente il guidatore di eventuali situazioni anomale che possano costituire un pericolo per la sua incolumità. Un

[17] Petar Popovski et al., “Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system” – METIS, Deliverable D1.1, ICT-317669, Aprile 2013.

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altro campo di impiego sarà rappresentato dalla sorveglianza, in remoto, dei pazienti all’interno di strutture sanitarie. Basandosi sul monitoraggio del battito, pressione sanguigna, temperatura etc… le terapie ed i farmaci più adeguati saranno somministrati immediatamente e con modalità totalmente automatica a seconda delle necessità. Da qui l’esigenza di incrementare l’affidabilità e la sicurezza di questa tipologia di sistemi.

 “Ubiquitous things comunicating”: Questo scenario identifica le problematiche originate dalla presenza, in una determinata area, di differenti tipologie di dispositivi. Un numero molto elevato di elementi, caratterizzati da una complessità ridotta, come ad esempio dei sensori, potrebbero essere accompagnati da apparecchiature ben più sofisticate, con differenti requisiti in termini di consumo di potenza, latenze, frequenze utilizzate e data-rate. Il TC “Massive deployment of sensor and actuator” specifica un contesto di questo genere, nel quale si prevedono oltre 300.000 dispositivi all’interno di una singola cella radio. La sfida tecnologica presentata in questo modello si traduce quindi nella capacità di integrare tutte queste comunicazioni su di una unica infrastruttura di trasporto dati, in grado di operare efficientemente nonostante la natura eterogenea dei suoi utenti (umani o macchine che siano) e in grado di gestire eventuali situazioni di congestione nell’accesso alle risorse radio.

Nella figura 2.3 sono riportati gli scenari e tutti i dodici Test Case che definiscono lo spazio di ricerca investigato all’interno del progetto METIS. Da questa rappresentazione grafica, risulta evidente come alcuni di essi siano individuati da una molteplicità di scenari, e quindi associati alle relative problematiche che contraddistinguono ciascuno di essi. Questa semplice rappresentazione grafica sottintende tuttavia una approfondita discussione sulle sfide ingegneristiche con le quali la nuova generazione di reti radiomobili dovrà confrontarsi, e di cui è stato fornito un breve riassunto in seguito.

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Figura 2.3 – Scenari e Test Case utilizzati per stimare le prestazioni dei sistemi 5G20

Basandosi su queste considerazioni, elaborate e perfezionate successivamente da analoghe ricerche, sono state effettuate delle stime per determinare e soprattutto quantificare alcuni parametri, universalmente riconosciuti e condivisi, che i sistemi 5G dovranno soddisfare1,18,19.

[1] Afif Osseiran, et al., "Scenarios for 5G Mobile and Wireless Communications: The Vision of the METIS Project" - IEEE Communications Magazine, vol.52, no.5, pag.26-35, Maggio 2014.

[18] NOKIA, “5G Use Cases and Requirements White Paper” – NOKIA White Paper, [Risorsa disponibile Online: http://resources.alcatel-lucent.com/asset/200010].

[19] 5GPPP, “5G Vision” - 5GPPP – Febbraio 2015 [Risorsa disponibile Onnline: https://5g-ppp.eu/roadmaps/]. [20] Alex Apostolidis et al., “Intermediate description of the spectrum needs and usage principles” - METIS, Deliverable D5.1, ICT-317669, Agosto 2013.

33 Nello specifico:

 10x ÷ 100x Numero di dispositivi globalmente connessi alla rete

 10x ÷ 100x Aumento di traffico per singolo utente

 10.000x Volume di traffico complessivo sulla rete

 1.000x Aumento di traffico per determinate aree

 10+ Gbps Data-rate di picco

 100+ Mbps Data-rate per ciascun utente, in qualsiasi situazione

 < 5 ms Latenza end-to-end delle comunicazioni

 10+ anni Durata batteria per applicazioni M2M

Possiamo affermare che tali grandezze rappresentano il punto di partenza per la ratificazione dello standard 5G e forniscono una stima accurata delle prestazioni che tale rete dovrà soddisfare, al fine di garantire una fruizione soddisfacente dei servizi e di tutte le applicazioni ipotizzate, in ognuno dei TC evidenziati. Per maggiore chiarezza nella tabella 2.117 sono elencati gli stessi TC precedentemente considerati e per ciascuno di essi sono riportate le specifiche operative associate. Come appare chiaro dalla tabella, tute le prestazioni qui sopra elencate non dovranno essere soddisfatte contemporaneamente. Tuttavia per soddisfa la maggioranza di esse, l’architettura e l’interfaccia radio del 5G dovranno modificarsi in maniera significativa se comparate con la generazione precedente.

[17] Petar Popovski et al., “Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system” – METIS, Deliverable D1.1, ICT-317669, Aprile 2013.

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Tabella 2.1 – METIS Test case con relative prestazioni stimate17.

[17] Petar Popovski et al., “Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system” – METIS, Deliverable D1.1, ICT-317669, Aprile 2013.

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2.3 Fattori chiave del 5G

Nel precedente paragrafo abbiamo riportato, basandoci sull’analisi dei Test Case indicati nella letteratura, una stima delle principali specifiche operative che la quinta generazione dovrà riuscire a soddisfare. Progettare un’infrastruttura che sia capace di assicurare tali prestazioni risulterà un impresa tutt’altro che banale. Per riuscire in questo si renderà necessario ripensare completamente sia l’architettura sia l’interfaccia radio del 5G e questo farà si che la prossima infrastruttura di comunicazione risulterà totalmente differente se comparata con quella attuale.

Sebbene non sia stato ancora raggiunto un consenso unanime nell’industria, su come dovrà svilupparsi la nuova generazione, e su quali tecnologie dovranno essere impiegate, sono stati individuati alcuni aspetti che si riveleranno essenziali per incrementare le prestazioni in termini di capacità, copertura, efficienza spettrale e riduzione dei consumi. Per affrontare l’aumento di traffico e consentire larghezze di banda sufficientemente ampie da supportare i data-rate previsti, dovranno essere considerate ulteriori porzioni dello spettro oltre i 6 GHz, ed in tal senso sono state analizzate tutte le frequenze disponibili fino ad i 275 GHz20. Una nuova organizzazione della RAN, Radio Access Network, basata su differenti tipologie di celle radiomobili, permetterà maggiori capacità della rete ed allo stesso tempo estenderne la copertura, mente nuove tipologie trasmissive consentiranno di ottenere una più elevata efficienza spettrale, anche in scenari caratterizzati dalla presenza di uno spettro elettromagnetico frammentato. Qui di seguito analizzeremo alcune di queste strategie, suddividendole in tre categorie: “mmWave”, ”Riduzione delle Celle” ed “Efficienza spettrale”, rivolgendo di volta in volta l’attenzione sugli aspetti che dovranno essere tenuti in considerazione durante il processo di standardizzazione del 5G.

 mmWave: Fino ad oggi i sistemi di comunicazione wireless, per ragioni tecniche ed economiche, hanno concentrato la loro operatività in una ristretta porzione dello spettro elettromagnetico, in particolare quella che si estende da alcune centinaia di MHz fino a pochi GHz, corrispondente a lunghezze d’onda nell’ordine dei centimetri21. Per questa ragione, specialmente nei paesi più industrializzati, tale banda risulta attualmente già occupata nella sua quasi totalità. Al fine di garantire le prestazioni stimate per i sistemi di quinta generazione, si ha tuttavia la necessità di allocare nuove risorse spettrali, e per rendere ciò

[20] Alex Apostolidis et al., “Intermediate description of the spectrum needs and usage principles” - METIS, Deliverable D5.1, ICT-317669, Agosto 2013.

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possibile si ha solamente un cammino da intraprendere: salire in frequenza21. È importante sottolineare però che l’utilizzo di frequenze più elevate, specialmente oltre le decine di GHz, potrà servire solamente come complemento a quelle tradizionalmente impiegate per fornire una capacità addizionale e per permettere trasmissioni a banda ultra-larga.

Una notevole quantità di spettro relativamente libero è disponibile nel range 30 ÷ 300 GHz, dove le lunghezze d’onda risultano 1 ÷ 10 millimetri, e per ciò tale intervallo viene generalmente riferito con il nome di onde millimetriche (mmWave). La ragione principale per cui le mmWave risultano largamente non allocate è dovuta al fatto che, finora, esse si siano rivelate inadeguate per le comunicazioni mobili, a causa di condizioni di propagazione avverse e costi esorbitanti degli apparati trasmissivi. Ciononostante, con il progredire del processo tecnologico e la conseguente riduzione dei costi di sistemi e apparati, anche queste frequenze, in particolare quelle non licenziate intorno ai 60 GHz, stanno cominciando a suscitare un discreto interesse, specialmente per comunicazioni a breve o brevissima distanza, specifiche di alcune particolari applicazioni.

Con l’aumentare delle frequenze però, le condizioni di propagazione diventano sensibilmente più ostili rispetto a quelle tradizionalmente sperimentate dai sistemi wireless odierni, e nuovi fenomeni di propagazione, del tutto ininfluenti alle basse frequente, devono essere tenuti in considerazione. Per quanto riguarda l’attenuazione in spazio libero (Free-space Path-Loss), dovuta cioè ai soli effetti di propagazione dell’onda elettromagnetica nell’etere, tale perdita può essere valutata come:

Dove:

R: indica la distanza tra trasmettitore e ricevitore, λ: La lunghezza d’onda

fc: Frequenza portante

c: Velocità della luce ( c = 3 × 108 m/s)

[21] Jeffrey G. Andrew et al, “What Will 5G Be?” - IEEE Communications Journal, vol 32, Issue: 6 pag: 1065–1082, Giugno 2014