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L’evoluzione del 5G: casi d’uso abilitati dalle nuove release dello standard

La release 15, del 2018, costituisce la pietra miliare della quinta generazione, definendo una prima parte delle specifiche tecniche della cosiddetta 5G New Radio (NR), progettata per soddisfare i requisiti “minimi” stabiliti dall'ITU

Come sta procedendo l’evoluzione del 5G? 3GPP (Third Generation Partnership Project) è l’organizzazione che definisce le specifiche tecniche che sono successivamente trasposte in standard dagli enti regionali, Standards Setting Organizations (SSO), che formano la partnership 3GPP stessa. ETSI è l’SSO che rappresenta l’area europea. In particolare, 3GPP definisce le specifiche per i sistemi cellulari end-to-end completi, incluse le reti di accesso radio, le reti core, le apparecchiature utente, i dispositivi, la struttura dei servizi. Nel processo di definizione delle specifiche e successiva standardizzazione sono coinvolti operatori di rete, produttori di infrastrutture e componenti, produttori di terminali, e fornitori di servizi.

Le prime versioni del 5G

Le specifiche tecniche vengono strutturate e rilasciate da 3GPP in successive release[1] (versioni) alcune delle quali assumono il ruolo di vere e proprie “milestone” nello sviluppo delle comunicazioni mobili. La prima release, originariamente nota come Phase 1, risale al 1992 e coincide con la definizione dei sistemi GSM (2G). Da questa si giunge, tramite successive versioni, ai sistemi UMTS (3G) nel 2000. Nel 2008, La release 8 definisce le reti LTE (4G), che si arricchiscono incrementalmente di nuove funzionalità fino alla release 14, pubblicata nel 2017.

Sebbene la release 14 contenga già elementi anticipatori delle future tecnologie 5G, è certamente la release 15 del 2018 a costituire la pietra miliare della quinta generazione definendo una prima parte delle specifiche tecniche della cosiddetta 5G New Radio (NR) progettata per soddisfare i requisiti “minimi” per il 5G stabiliti dall‘ITU (International Telecommunication Union) nello standard IMT-2020 (International Mobile Telecommunications – 2020).

Già a partire dal 2015, tuttavia, l’industria porta avanti importanti studi e investimenti per consentire un rapido sviluppo di infrastrutture conformi alle specifiche 5G in corso di definizione. L’obiettivo è quello di arrivare a un primo lancio commerciale del 5G entro la fine del 2019. Una scommessa sicuramente vinta giacché il 5G si sta ormai affermando come una realtà commerciale sia nel segmento consumer sia nel segmento dei cosiddetti verticals.

New Radio, un salto di qualità

Il termine “New Radio” associato alla quinta generazione, rivela che il design complessivo della rete 5G è costituito da nuovi componenti chiave che abilitano un vero proprio salto di qualità rispetto alla quarta generazione. Gli obiettivi sulle prestazioni dell’interfaccia radio puntano a sostanziali incrementi nella velocità di comunicazione disponibile all’utente, in una riduzione della latenza al livello del millisecondo e al supporto di una elevata densità di dispositivi connessi. 5G NR migliora inoltre la sicurezza dei dati, le prestazioni energetiche della rete e riduce le interferenze, assicurando al tempo stesso l’interworking e la coesistenza con le reti 4G.

Successivamente al rilascio della release 15 nel 2018, 3GPP ha introdotto significativi miglioramenti delle funzionalità di 5G NR all’interno dell’attuale release 16 che costituisce una vera e propria “fase 2” nella definizione delle specifiche. La successiva release 17, il cui rilascio è previsto per il prossimo anno, introdurrà ulteriori avanzamenti technologici tenendo anche conto dei primi feedback “dal campo” nell’impiego delle prime reti 5G commerciali. Le due nuove versioni[2], 16 e 17, svolgeranno un ruolo fondamentale nel garantire un ulteriore aumento di disponibilità e un incremento delle prestazioni delle reti 5G NR supportando i volumi di traffico mobile previsti[3] per il futuro e abilitando casi d’uso emergenti nei settori dell’automazione industriale, della logistica, dei trasporti intelligenti, della pubblica sicurezza, delle esperienze immersive e del gaming.

La release 16

Da un punto di vista delle tecnologie radio, i miglioramenti più significativi della release 16 indirizzano potenziamenti delle funzionalità Multi-Input Multi-Output (MIMO), una maggiore direzionalità del segnale di antenna nel cosiddetto beamforming, la condivisione dinamica dello spettro (DSS) tra 5G NR e LTE, la possibilità di connettere simultaneamente un dispositivo ad entrambe le reti (dual connectivity) ed altri miglioramenti di funzionalità che erano già presenti nella release precedente.

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In aggiunta, è introdotto il supporto per lo spettro senza licenza, un’opzione nota come 5G NR-U. NR-U offre agli operatori la possibilità di aggregare lo spettro non licenziato con un canale di ancoraggio posto nello spettro concesso in licenza. Una tecnologia simile era già prevista nel Licensed Assisted Access (LAA) di LTE. NR-U modalità NR-U è specificata anche in una modalità “standalone”, completamente svincolata dallo spettro licenziato.

Una novità rilevante è costituita dal cosiddetto Integrated Access Backhaul (IAB), una tecnologia che consente alle stazioni radio base di essere usate sia per l’accesso radio vero e proprio sia per fornire collegamenti di backhaul tra l’edge e il core della rete radio stessa. IAB può aprire le porte a una strategia di densificazione della rete più flessibile, consentendo agli operatori di aggiungere rapidamente nuove stazioni radio base, senza dover installare fin da subito fibre ottiche aggiuntive per incrementare la necessaria capacità di backhauling.

La release 16 abilita inoltre un’ulteriore riduzione del consumo energetico al livello di terminale, aumentando di conseguenza la durata della batteria. A questo scopo viene utlizzato uno specifico segnale di riattivazione del terminale che assicura la riconnessione, dopo periodi di inattività, con minori messaggi di segnalazione.

Le nuove funzionalità radio della release 16 permettono di servire casi industriali più avanzati, compresa l’integrazione con le reti Time-Sensitive Networking (TSN) tramite lo scambio di informazioni di temporizzazione accurate dalla rete verso il dispositivo. Le specifiche indicano inoltre livelli di latenza del millisecondo con un livello di affidabilità del 99,9999%. Sempre indirizzando il segmento industriale, è prevista una maggiore integrazione delle reti pubbliche con le reti private, indicate da 3GPP come Non Public Networks (NPN). Le reti NPP utilizzano risorse e sistemi radio dedicati, in parte collocati “on premises”, risorse gestite in modo completamente o parzialmente indipendente rispetto alle reti pubbliche. Questo assicura maggiore sicurezza e privacy dei dati industriali sensibili e ottimizzazione delle performance di rete per le applicazioni critiche, come ad esempio comunicazioni a bassa latenza per il controllo remoto di robot. Le reti NPN sono quindi particolarmente importanti nei casi d’uso dell’IoT industriale.

Nell’ambito dei trasporti intelligenti (ITS), la release 16 include funzionalità per facilitare la comunicazione diretta tra veicoli (sidelink) supportando miglioramenti di prestazioni per la guida autonoma e, in particolare, per la sicurezza.

La release 17 del 5G

Gli elementi di innovazione principali della release 17 sono stati approvati da 3GPP a dicembre 2019 e la pubblicazione è prevista a giugno 2021.

Tra le principali novità vi è il supporto alle comunicazioni oltre i 52,6 GHz includendo anche porzioni di banda non licenziata. Questa nuova area dello spettro aggiunge una grande capacità per gli operatori soprattuto in scenari urbani ad alta densità di connessioni.

La release 17, per la prima volta, affronterà il supporto di use cases che richiedono allo stesso tempo una elevata velocità trasmissiva e una ridottissima latenza. Tra essi, menzioniamo la cosiddetta “Extender reality” (XR), un passo avanti verso la realtà immersiva ottenuto integrando tecniche di realtà virtuale e di realtà aumentata.

Nel campo dell’automazione industriale, la release 17 fornirà un maggiore supporto alla sincronizzazione, per il trasporto di protocolli industriali di controllo, e una maggiore stabilità delle comunicazioni a bassa latenza, anche in trasmissioni su porzioni di spettro non licenziato. Sarà inoltre possibile ottenere una maggiore accuratezza, su tutti e tre gli assi dello spazio, nell’identificazione della posizione di un oggetto connesso (positioning). Per il supporto di specifici sensori e telecamere in un impianto, è prevista la specifica di un profilo “NR Light”. I dispositivi wireless a cui si rivolge questo profilo sono a bassa complessità e ridotto consumo energetico ma, al tempo stesso, richiedono comunicazioni a bassa latenza (dell’ordine dei 5-10 ms) con un data rate di alcuni Mbps.

Con la release 17 verrà inoltre potenziato il supporto a servizi multicast e broadcast. Le principali applicazioni si rivolgono alla comunicazione con i veicoli e al settore della pubblica sicurezza, ad esempio per la diffusione di messaggi di allerta.

I primi elementi della futura release 18 saranno definiti da 3GPP nella seconda metà del 2021.

 

  1. https://www.3gpp.org/specifications/67-releases
  2. Ericsson Technology Review “5G evolution: 3GPP releases 16 & 17 overview”, Marzo 2020
  3. Ericsson Mobility Report, Giugno 2020
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