Analisi preliminare sull'architettura di rete del 5G

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Corso di Studi in Ingegneria elettronica ed informatica
Curriculum informatica
DISCUSSIONE PRELIMINARE SULLA
STRUTTURAARCHITETTURALE E
FISICA DEL 5G
Tesi di Laurea Triennale
Laureando:
Matteo Sbicego
Relatore:
prof. Massimiliano Comisso
_____________________________________
ANNO ACCADEMICO 2018/2019

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1 – INTRODUZIONE
La necessità di una rete cellulare di quinta generazione nasce dal fatto che l’attuale rete 4G ha
raggiunto la sua maturità, e ciò che ci si può aspettare sono solo piccoli miglioramenti, essendo lo
spettro del 4G ormai saturo. In aggiunta, si ha la necessità di rispondere alla crescente richiesta, da
parte degli utenti, di nuovi servizi a costi contenuti.1
Fatta questa premessa, il 5G non costituisce un semplice miglioramento delle prestazioni dello
standard attuale, ma un nuovo standard a tutti gli effetti. Esso è caratterizzato da nuove frequenze
molto elevate con larghezze di banda molto ampie, un aumento della densificazione delle stazioni
base e dei dispositivi, e un numero di antenne senza precedenti. Inoltre, diversamente dalle
generazioni precedenti, è stato possibile integrare LTE (Long Term Evolution) e il WIFI (Wireless
Fidelity) con le nuove interfacce e lo spettro del 5G, per fornire una copertura universale ad alta
velocità e un’esperienza utente senza precedenti.
Lo sviluppo di questa nuova rete è stato possibile grazie all’evoluzione di tre nuove tecnologie, che
sono state definite “Big three” del 5G, che sono: l’ultra densificazione, le onde millimetriche e il
Multiple Input Multiple Output (MIMO) massivo. Oltre a queste nuove tecnologie, ce ne sono altre
che rendono il 5G ancora più interessante e che andremo poi ad analizzare. Tale analisi non si
concentrerà solo sulle tecnologie in sé ma anche sui vari problemi che si sono dovuti affrontare per
implementarle.
2 - CARATTERISTICHE DEL 5G
Prima di procedere all’analisi, è necessario introdurre le caratteristiche del 5G:
• tasso di dati aggregati (o capacità di rete), che si riferisce alla quantità effettiva di dati che una
rete può servire, ovvero 1000 volte maggiore del 4G;
• velocità di trasferimento minima (tasso di limite) ipotetica nel caso peggiore di 1Gbps e
velocità di trasferimento massima (tasso di picco) ipotetica nel caso migliore di alcune decine
di Gbps;
• latenza attorno a 1ms, escludendo la latenza della risposta di un server;
• elevata copertura;
• elevata riduzione dell’energia consumata dalla rete;
1
Il presente lavoro si basa sull'articolo: Andrews, S. Buzzi, W. Choi, S.V. Hanly, A. Lozano, A.C.K. Soong, and J.C. Zhang,
“What will 5G be?” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32, no. 6, pp. 1065–1082, Jun. 2014.

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• garantire la connessione a un numero di dispositivi circa 100 volte maggiore rispetto a quello
della rete 4G.
Il tasso dati 1000 volte superiore a quello attuale è stato possibile raggiungerlo attraverso la
combinazione dei guadagni di queste 3 categorie:
• estrema densificazione e offloading per migliorare l’efficienza spettrale per unità di area; detto
in maniera differente, più nodi attivi per unità di area e Hz;
• incremento della larghezza di banda, spostandosi nello spettro delle onde millimetriche e
facendo un miglior uso del WIFI senza licenza nello spettro della banda da 5GHz; questo
corrisponde a più Hz;
• incremento dell’efficienza spettrale, principalmente attraverso MIMO avanzati, per
supportare più bits/s/Hz per nodo.
La combinazione di tali categorie ha permesso di ottenere più bits/s per unità di area.
3 - ULTRA DENSIFICAZIONE
La stazione base copre un'area geografica, per tale motivo è stata nominata macrocella, e presa
singolarmente la sua capacità di rete diminuisce con l'aumentare degli utenti. Un metodo efficace per
aumentare la capacità di rete è aggiungere più celle, da qui il termine densificazione. Partendo da
questo principio, la macrocella viene suddivisa in celle sempre più piccole, definite piccole celle, che
comunicano con la stazione base e permettono a un numero maggiore di utenti di collegarsi alla rete.
La riduzione delle celle ha i suoi benefici, i più importanti sono il riutilizzo dello spettro attraverso
un’area geografica e la conseguente riduzione del numero di utenti che competono per le risorse di
ogni stazione base. Nonostante la cella diventi sempre più piccola, non serve preoccuparsi del
rapporto segnale rumore (SNR) il quale si preserva per tutta l’area coperta dalla stazione base. Mentre
la densificazione si fa più estrema, si devono affrontare alcune problematiche. Prima fra tutte è
preservare il guadagno della macrocella man mano che la stazione base si alleggerisce, pertanto è
stato definito il parametro guadagno di densificazione della stazione base 𝜌, nel quale ogni piccola
cella dà il proprio contributo con il proprio guadagno che si va a sommare coi guadagni delle altre
piccole celle. Tale parametro indica l’effettivo incremento del tasso di dati relativo all’aumento della
densificazione di rete:
𝜌( 𝜆1, 𝜆2) =
( 𝑅2 − 𝑅1)
𝑅1
( 𝜆2 − 𝜆1)
𝜆1
(1)
Dove 𝜆1 indica la densità iniziale della stazione base e 𝑅1il suo tasso dati iniziale, mentre 𝜆2 e 𝑅2

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indicano rispettivamente la densità finale e il tasso dati finale. Ovviamente per questo parametro ci
sono varie casistiche da considerare: se un’area ha un protocollo di acceso come quello ad accesso
multiplo con rilevamento della portante (CSMA) è possibile che 𝜌 sia minore di 0, ma per una rete
cellulare con un controllo di accesso ai dispositivi (MAC) centralizzato, si può supporre
tranquillamente che 𝜌 sia maggiore di 0; invece, se si considerasse una rete limitata da interferenza
piena di buffer, il rapporto segnale interferenza rumore (SINR) equivarrebbe al rapporto segnale
interferenza (SIR), il quale rimarrebbe costante con la densificazione della stazione base e nel
migliore dei casi 𝜌 sarebbe circa 1. Nella realtà, i buffer non sono sempre pieni, e le piccole celle
tendono a diventare più leggere rispetto alle macrocelle man mano che la rete diventa più densa.
Inoltre, il SINR spesso aumenta con la densità sia nelle reti limitate dal rumore a causa
dell’incremento della potenza del segnale ricevuto, che nelle reti limitate da interferenza perché le
piccole celle generano poche interferenze. Nonostante ciò, alle frequenze delle microonde, il
guadagno del SINR non è sufficiente da essere mantenuto con l’utilizzo delle piccole celle e pertanto
𝜌 è minore di 1. Alle frequenze delle onde millimetriche la situazione cambia. Le trasmissioni in
questa banda sono sensibilmente limitate dal rumore, e un incremento della densità non solo divide
le risorse della cella e ne alleggerisce il carico, ma il SINR potrebbe aumentare di molto, rendendo 𝜌
molto maggiore di 1.
Un’altra problematica consiste nel determinare un‘appropriata associazione tra la stazione base e
l’utente utilizzando le tecnologie ad accesso radio multiplo (RAT). Il problema nasce dal fatto che il
5G si basa su una rete altamente eterogenea, in quanto supporta tutti gli standard delle altre
generazioni, alcune tipologie di WIFI e, in un prossimo futuro, anche le trasmissioni dispositivo a
dispositivo (D2D). Questo corrisponde ad un problema di ottimizzazione combinatoria massivo per
l’associazione tra l’utente e la stazione base. Questo problema è stato semplificato utilizzando due
procedure: il “biasing” e il “blanking” della macrocella. Per “biasing” s’intende associare un utente
ad una piccola cella anche se ha un SINR più basso rispetto ad una macrocella, e questo è utile perché
consente il trasferimento di un utente da una macrocella piena ad una piccola cella più leggera, così
gli utenti guadagnano più risorse da utilizzare con anche un aumento del tasso di dati. Mentre, il
“blanking” consiste nello spegnere la trasmissione dati della macrocella per qualche frazione di
tempo, preferibilmente quando è stata effettuata l’operazione di “biasing”, permettendo così un
aumento del SINR delle piccole celle e far passare l’attenzione del canale di controllo comune alle
piccole celle. Partendo da questa semplificazione si è applicato un algoritmo preliminare di
associazione ottimizzato basato su metodi decisionali multicriterio (MDCM) e sulla teoria dei giochi.
Il 5G deve garantire il supporto alla mobilità in una rete altamente eterogenea, perciò sono state
introdotte delle tecniche di comunicazione hardware ad alta velocità, basate su canali che variano nel
tempo velocemente, che portano ad un supporto alla mobilità teorico fino a 500km/h. Questo supporto

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è ancora in fase di sviluppo in quanto per avere un supporto completo si deve avere un’architettura di
rete definita, pertanto per questo aspetto bisognerà aspettare ancora qualche anno.
Infine, un altro problema da tenere in considerazione è il costo di implementazione. Si è notato che
aumentando sempre di più il numero delle piccole celle, le stazioni base diventavano più economiche
e richiedevano meno energia. Pertanto, per il mantenimento dei costi si è deciso di seguire questo
approccio, ovvero diminuire la dimensione delle celle trovando un giusto compromesso tra
dimensione e guadagno, considerando addirittura l'introduzione delle femtocelle, cioè celle la cui area
di applicazione corrisponde a quella di un ufficio. Sfruttando questa metodologia l'impatto sui costi
di implementazione non è significativo. Il costo a cui bisogna prestare attenzione è quello relativo
alla rete di ritorno dovuto all'installazione della fibra ottica, per tale motivo si stanno facendo delle
ricerche per abbassare i costi di quest'ultima.
4 - DALLE MICROONDE ALLE ONDE MILLIMETRICHE
Come detto nell’introduzione, lo spettro delle microonde è ormai saturo. Per rispondere alle necessità
del 5G si è deciso di utilizzare frequenze superiori, è stato quindi introdotto lo spettro delle onde
millimetriche. In questo spettro, le onde hanno dimensioni che variano tra 1mm e 10mm, e lavorano
a frequenze comprese tra i 20 GHz e i 300GHz. Prima queste onde non erano adatte a causa di alcune
loro pessime proprietà di propagazione, prima fra tutte l’elevata perdita di percorso. Si è studiato che
mantenendo l’apertura delle antenne costante e rimodellando i canali delle frequenze era possibile
bypassare questi problemi di propagazione. A tal proposito è stato sviluppato un sistema di grandi
schiere di antenne con raggi ravvicinati, che consentono di generare elevati fasci di raggi direzionali,
permettendo il rafforzamento del SNR. In particolare, ci si è concentrati sui canali per queste onde,
cioè si è pensato prima di tutto dividere i canali in due gruppi, uno dedicato per il controllo e l’altro
per il trasferimento dati. I canali per il controllo partono dalla stazione base, mentre i canali dei dati
partono dalle piccole celle. Per tale motivo sono stati addottati due metodi di codifica differenti per i
canali: la codifica polare, per quelli di controllo, e il codice di controllo di parità a bassa densità, per
quelli dei dati. Siccome si sta ancora studiando il design dell’antenna sia per rafforzare il fascio di
raggi che per rafforzare la propagazione del segnale, le onde millimetriche non sono state ancora
completamente implementate.
5 - MIMO MASSIVO
Il MIMO è stato introdotto attorno al 2006 con il sistema WIFI e successivamente implementato nella
rete 3G. In sostanza, esso consiste in un sistema costituito da una moltitudine di antenne disponibili
nella stazione base e nei dispositivi mobili, permettendo la gestione di più segnali

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contemporaneamente. Tale sistema, rivelatosi molto utile per le comunicazioni, è stato sviluppato nel
corso degli anni, ovviamente il numero di antenne aumentava con l’avanzare della generazione della
rete, però tale numero era abbastanza limitato. Con l’avvento del 5G la necessità di supportare molte
più comunicazioni contemporaneamente era un bisogno primario, pertanto fu proposta l’idea di
equipaggiare le stazioni base con un numero di antenne molto maggiore del numero di utenti attivi
per risorsa di segnalazione tempo-frequenza. Attraverso un’accurata stima dei canali sotto il dominio
del tempo, una risorsa può essere servita ad alcune decine di utenti. Sfruttando questa stima è stato
deciso di equipaggiare momentaneamente le stazioni base con 64 antenne per trasmettere e 64 antenne
per ricevere.
Questa tecnologia offre sostanziali benefici:
• elevato incremento dell’efficienza spettrale, senza un incremento della densificazione delle
stazioni base;
• migliora le risposte del canale;
• semplifica la struttura trasmissione/ricezione dovuta alla natura quasi ortogonale dei canali
tra ogni stazione base e l’insieme degli utenti attivi che condividono la stessa risorsa di
segnalazione.
Per ottenere questo si è dovuto risolvere il problema della contaminazione del segnale pilota, ovvero
l’interferenza tra le varie celle dovuta al segnale pilota, ed è stata eliminata tramite alcuni metodi di
coordinazione a bassa potenza delle stazioni base, in particolare suddividere i segnali pilota in classi
che vengono trasmesse al tasso che si necessità e non al tasso più veloce.
Questo si è concretizzato con il Full-Dimension MIMO (FD-MIMO) nel quale vengono usati vettori
planari 2D e angolazioni maggiori per i segnali, che permettono l’utilizzo di un numero maggiore di
antenne. Come vantaggi, si sono ottenuti un incremento della potenza del segnale ed una riduzione
delle interferenze nelle celle vicine.
Un maggiore numero di antenne comporta un maggiore numero di trasmissioni dati diverse da utenti
diversi, e pertanto va definita una tecnica di accesso multiplo ottimale per gestire gli accessi alle
risorse. Sono state testate delle varianti dell’Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM),
però si è visto che nello spettro delle onde millimetriche alle frequenze oltre le decine di GHZ, il
rapporto di potenza picco-medio (PAPR), l’efficienza e la variazione del guadagno in un intervallo
di frequenze, necessarie per tale spettro, non erano soddisfacenti. Pertanto, si è sviluppata una nuova
tecnica: Accesso multiplo non ortogonale (NOMA). NOMA è stata scelta come tecnica di accesso
per questa nuova generazione di reti, il quale consente di ottenere una enorme efficienza spettrale.
La caratteristica chiave di questa nuova tecnica è di servire gli utenti allo stesso
tempo/frequenza/codice, ma con differenti livelli di potenza. Si può quindi dire che tale tecnica è

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basata sul dominio della potenza.
6 - IL 5G SARÀ UNA RETE INTELLIGENTE
Per garantire i servizi promessi agli utenti il 5G deve essere molto più flessibile, agile, scalabile e allo
stesso tempo efficiente. Per rispondere a questa necessità, sono state definite due nuove tecnologie:
la virtualizzazione delle funzioni di rete (VFN) e l’architettura di rete definita da software (SDN).
La VFN consiste nella creazione di software che simulino le funzioni dei componenti base della rete,
quali router, firewall, ecc.…, in modo tale che vengano eseguite su macchine virtuali. Queste
macchine virtuali vengono installate in un server, in particolare nell’infrastruttura di cloud
computazionale di un datacenter. Si può notare che attraverso questa architettura in un server è
possibile creare più server virtuali, arrivando perfino a creare una nuova rete, pertanto tale
virtualizzazione consente di ottenere un elevato risparmio nei costi e di ridurre notevolmente i tempi
implementativi dei dispositivi base.
L’SDN descrive un’architettura di rete che viene gestita completamente dal software. In sostanza, tale
architettura suddivide la rete in due piani: il piano dati e il piano controllo. Il piano dati si occupa
dell’inoltro dei dati all’interno della rete, mentre il piano controllo, che è centralizzato, si occupa nel
monitorare il traffico di rete e scegliere il giusto algoritmo che consente la gestione ottimale del
traffico in ogni istante.
Queste due tecnologie sono interdipendenti, si possono applicare separatamente però applicate
assieme consentono di avere una rete programmabile che può ottimizzare le prestazioni della rete
stessa in tempo reale, per tale motivo si può dire che il 5G sarà una rete intelligente.
7 – CONCLUSIONE
L’architettura di rete vista finora è nella fase preliminare della sua implementazione. Essendo la rete
5G ancora in fase di sviluppo, per assicurare i servizi promessi, come la guida automatica assistita,
ci dovranno essere ulteriori miglioramenti, primo fra tutti il passaggio definitivo alle onde
millimetriche. Non solo la rete è ancora agli albori, ma devono ancora diffondersi i dispositivi in
grado di poter supportare tale standard, ad esempio è stato constatato nel 2019 che c’erano solo
alcune decine di smartphone in grado di sfruttare la rete 5G. Quindi, ci vorrà ancora qualche anno
prima che venga completamente implementata.