Lorenzo Pulcini Fondazione Ugo Bordoni

Roma, 11 febbraio 2016

Seminario Soluzioni trasmissive ed architetturali per il 5G Scuola Superiore di Specializzazione in Telecomunicazioni

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Sommario

• Verso il 5G: evoluzione o rivoluzione?

• Requisiti tecnologici e Key Enabling Technologies

• Overview sulle tecniche di trasmissione più promettenti • Massive MIMO • Digital beamforming • Coordinated Multi Point (CoMP) • Enhanced Inter-Cell Interference Coordination (eICIC)

• Linee di sviluppo delle reti eterogenee in vista dell’introduzione del 5G

• Small Cells • C-RAN

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Key drivers

50 miliardi di dispositivi connessi entro il 2020 Traffico dati mobile stimato in 24 exabytes (1018) al mese nel 2019

Source: Visual Networking Index_Global Mobile Data Traffic Forecast; Update 2013-2018 – Cisco

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Evoluzione o rivoluzione?

Fully-mobile society

Utenza diversificata

(people-to-people,

people-to-machine, M2M)

anywhere

anytime

anyhow

Indipendentemente

dalle condizioni operative

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Trend evolutivo delle tecnologie radiomobili

Hyper-connected vision

Next-generation radio access technology

Source: GSMA Intelligence

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Requisiti di banda e latenza dei potenziali casi d’uso 5G

Source: GSMA Intelligence

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Roadmap and R&D Activities

Source: Samsung - 5G Vision White Paper

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Requisiti

Source: DOCOMO - 5G White Paper

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Key Enabling Technologies

Source: Samsung - 5G Vision White Paper

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Massive MIMO

Equipaggiamento dei sistemi Tx e RX con

array di antenne di elevata dimensione

Distributed Antenna System (DAS)

Appropriata conoscenza delle

caratteristiche del canale (CSI) da parte

della SRB Pilots contamination

Source: “Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems”, Marzetta et al., Feb. 2014

Source: Samsung - 5G Vision White Paper

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Digital Beamforming

Focalizzazione del segnale da terminale a stazione radiobase e viceversa

segnale utile a distanze maggiori

riduzione dell’interferenza

Soluzioni main/remote

Active Antenna System

Source: Samsung - 5G Vision White Paper

Source: DOCOMO - 5G White Paper

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Coordinated Multi Point (CoMP)

Coordinamento dinamico della trasmissione e ricezione del segnale

radiomobile, sfruttando una varietà di differenti stazioni radiobase,

geograficamente separate

riduzione dell’interferenza tra celle (ICI)

aumento del livello del segnale utile (soprattutto nelle zone periferiche

della cella)

miglior utilizzo delle risorse di rete

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Coordinated Multi Point (CoMP)

Source: Notiziario Tecnico Telecom Italia, no. 2, 2013

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Enhanced Inter-Cell Interference Coordination (eICIC)

Permette di migliorare le prestazioni in scenari eterogenei

Prevede soluzioni richiedenti sincronizzazione e collaborazione tra layer

macro e micro/pico (ABS e RP-ABS)

Richiede accresciuta capacità elaborativa da parte del terminale (CRE)

Source: “An Overview on Interference Management in 3GPP LTE-Advanced Heterogeneous Networks”, S. Ali, 2015

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Fattori abilitanti

Incremento capacità dei sitemi radio

Incremento porzione

di spettro disponibile

Incremento numerosità

nodi infrastrutturali

Incremento efficienza

dei collegamenti radio

Cell splitting

Multiplazione spaziale

Spatial densification

Network densification

Spectral aggregation

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Modelli architetturali

Flessibilità Scalabilità Gestione service-oriented

Source: “METIS research advances towards the 5G mobile and wireless system definition”, J. F. Monserrat et al., 2015

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Small Cells (SC)

Nodi di rete a bassa potenza operanti in un contesto sia indoor che outdoor

Obiettivi Ampliare il livello di copertura dei sistemi di comunicazione cellulare attualmente in uso Accrescere la capacità che può essere messa a disposizione dell’utente finale

Problematiche

Gestione di un numero più elevato di richieste di handover Gestione di fenomeni interferenziali particolarmente impegnativi dovuti alla

sovrapposizione dell’area di servizio della macrocella con quella della picocella cui è associato il terminale d’utente (CRE)

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Control/User-plane shift

Separare gli obiettivi di copertura da quelli relativi alla capacità sostenibile

approccio di associazione asimmetrica verso punti d’accesso distinti e cooperanti basati su una dimensione cellulare di tipo sia macro che micro/pico

Piano di controllo (C) e piano dei dati d’utente (U) distribuiti tra celle differenti assegnazione alle macrocelle di compiti di copertura (C+U), impiegando

porzioni di spettro licenziato nel range frequenziale più basso assegnazione alle SC di compiti di fornitura di capacità localizzata (U),

impiegando una combinazione di range frequenziali (licenziati o no) sia nella parte bassa che in quella alta dello spettro

Source: DOCOMO - 5G White Paper

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Incremento prestazionale potenziale

Tendenza quasi lineare con cui cresce la capacità totale in funzione del numero di PC

Tendenza praticamente costante del data rate d’utente medio, indipendentemente dalla distanza cui si trova rispetto al sito macrocellulare (PC possono contribuire a migliorare il throughput a bordo cella)

Source:“A Novel Architecture for LTE-B: C-plane/U-plane Split and Phantom Cell Concept”, Y. Kishiyama et al., Dec. 2012

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Decoupled DL/UL access

Possibilità di differenziare il punto d’accesso della rete per implementare connettività di

tipo UL rispetto a quella DL

Drivers di associazione alla BS

Differenza tra potenza del segnale ed interferenza misurate per UL e DL

Differente livello di congestionamento delle BS

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Wireless Backhaul Networks

Source: “5G Wireless Backhaul Networks: Challenges and Research Advances”, H. Cheng et al., Dec. 2014

Scenario di tipo centralizzato

Scenario di tipo distribuito

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Wireless Backhaul Networks

Source: “5G Wireless Backhaul Networks: Challenges and Research Advances”, H. Cheng et al., Dec. 2014

Andamento crescente del throughput di backhaul all’aumentare del numero di SC

Fissato il numero di SC, il throughput di backhaul aumenta con il crescere dell’efficienza spettrale

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Cloud RAN

Obiettivo Incrementare l’efficienza delle RAN attraverso l’integrazione di funzionalità di processing

centralizzato, trasmissione collaborativa e cloud- computing in tempo reale

Source: “Scientific Challenges Towards 5G Mobile Communication”, COST IC1004 White Paper, Dec. 2013

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Conclusioni

Reti HetNet: always best connected

Supporto di tipologie di traffico non solo human-oriented ma anche machine-oriented

Passaggio al 5G non può essere ricondotto al semplice upgrade della tecnologia su cui

si basa la generazione radiomobile precedente

sviluppo di Ultra-Dense Networks (UDN)

differenti tipologie di BS sia per caratteristiche che per capacità di copertura (macro,

micro, pico)

maggior disponibilità di punti d’accesso

incremento di cooperazione tra reti basate su tecnologie diverse

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Conclusioni

Introduzione del concetto di Small Cells (soluzioni architetturali multi-RAT/multi-layer)

Soluzioni tecnologiche in grado di favorire la virtualizzazione nella gestione di

specifiche funzionalità di rete (SDN, NFV, SON, ecc.)

Svolgimento di operazioni critiche nella parte periferica della rete (supporto di servizi

delay-sensitive e di funzionalità di data-offloading)

Ricorso a nuovi modelli architetturali in cui configurazioni ad hoc consentano di abilitare

modelli di servizio user-centric piuttosto che cell-centric (ubiquità e QoS)

Seminario Reti eterogenee nel contesto 5G: potenzialità e prospettive

Lorenzo Pulcini lpulcini@fub.it