Le sfide per soddisfare gli indicatori chiave di prestazione del 5G: backhaul 5G

Esistono una miriade di protocolli avanzati, tecnologie radio e miglioramenti infrastrutturali che vengono sfruttati per raggiungere gli indicatori chiave di prestazione (KPI) stabiliti dallo standard IMT-2020. Questo articolo si concentra sul backhaul 5G e su come sia possibile soddisfare i requisiti di latenza e velocità di elaborazione tramite tipi specifici di gNB e tecnologie di backhaul.

Qual è l'obiettivo del 5G?

Nella sua forma più elementare, l'obiettivo del 5G è offrire l'apparenza di una connettività perfetta per l'utente, nonostante gli ostacoli evidenti. Questi ostacoli variano a seconda dello scenario: in un ambiente urbano possono essere rappresentati da congestione e interferenze nello spettro utilizzato, mentre in un ambiente rurale si può trattare di una mancanza di accesso generalizzata dovuta all'impossibilità di raggiungere la stazione base locale. In altri casi, gli ostacoli sono costituiti da una connessione lenta per lo streaming di applicazioni che richiedono un elevato traffico dati, come video HD, realtà aumentata (AR) o virtuale (VR), guida autonoma o utilizzo di Internet tattile (TI). Un altro caso d'uso potrebbe riguardare un'applicazione industriale che tenta di ricevere dati da migliaia di nodi di sensori per tracciare/monitorare i macchinari senza intoppi.

Tutti gli scenari proposti comportano considerazioni specifiche in merito alla progettazione dell'architettura delle stazioni base, al backhaul e all'utilizzo dello spettro. Per questo motivo, molti dei parametri di progettazione e degli standard rilasciati ruotano intorno ai parametri chiave delle prestazioni 5G. Gli indicatori KPI stabiliscono quindi i limiti nominali e superiori per i diversi casi d'uso 5G. Tali casi d'uso sono solitamente definiti come segue:

• •  Telefonia mobile avanzata a banda larga (eMBB, Enhanced Mobile Broadband)
• •  Comunicazioni ultra-affidabili a bassa latenza (uRLLC, Ultra-Reliable Low-Latency Communications)
• •  Comunicazioni macchina-macchina massive (mMTC, Massive Machine Type Communications)

Si prevede che, entro il 2024, lo streaming video rappresenterà il 74% del traffico dati mobile tra tutti i vari tipi di streaming (ad esempio, audio, navigazione web, social media, download di software, ecc.)^[1]. Inoltre, si calcola che entro il 2023, il 70% della popolazione mondiale disporrà di connettività mobile, portando il numero di dispositivi collegati in rete a quasi 30 miliardi, oltre il 60% in più rispetto al 2018^[2]. Per questo motivo, lo scenario del caso d'uso relativo all'area applicativa eMBB ruota attorno alla soddisfazione di richieste di data rate notevoli nonostante l'elevata capacità.

Sull'altro fronte, le applicazioni mMTC prevedono la connessione simultanea di decine di miliardi di dispositivi che di solito non trasmettono/ricevono grandi quantità di dati e di conseguenza comportano velocità di elaborazione relativamente basse. Ciò è dovuto al notevole aumento dei dispositivi IoT (Internet of Things) connessi: è previsto che, entro il 2030, saranno 50 miliardi i dispositivi abilitati per l'IoT^[3]. Come evidenziato dal nome, gli scenari uRLLC, invece, richiedono comunicazioni a bassa latenza, ma da effettuare in modo affidabile. Si tratta, ad esempio, di applicazioni mediche, dispositivi indossabili, applicazioni mission critical (militari), di sicurezza pubblica o di automazione industriale in cui qualsiasi ritardo o interruzione delle comunicazioni comporta il rischio di tempi di fermo per gli stabilimenti, danni alle apparecchiature o perdita di vite.

Soddisfare gli indicatori chiave di prestazione

Lo standard IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020) uniforma i requisiti di una rete 5G ed è stato emesso dall'ITU (International Telecommunication Union) nel 2015. Tuttavia, si tratta di uno sforzo di collaborazione tra l'ITU e l'altra principale organizzazione di standard per comunicazioni cellulari, il 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Non più tardi del luglio 2020, l'ITU ha concluso che il 5G 3GPP (Release 15 e 16) soddisfa sia i requisiti della Fase 1 che quelli della Fase 2 del progetto 5G, rendendolo adatto ad assolvere ai requisiti tecnologici dello standard IMT-2020^[4]. I KPI generali del 5G definiti dallo standard IMT-2020 sono riportati nella figura 1.

Figura 1: requisiti del 5G. 

Ci sono tutta una serie di miglioramenti tecnologici e obiettivi specifici che sono stati sviluppati per soddisfare i KPI del 5G. La figura 2 elenca alcuni dei miglioramenti 3GPP e come i vari aspetti radio e del sistema contribuiscano a soddisfare le esigenze di tutti i mercati verticali e dei tre principali casi d'uso.

Figura 2: integrazione industriale verticale con 3GPP Rel-16 ^[4]. [Accreditamento dell'immagine: ITU]

Tecnologie abilitanti fondamentali per il 5G

Ci sono alcuni "pilastri" tecnologici fondamentali che consentono la soddisfazione dei KPI del 5G in vari casi d'uso, tra cui la tecnologia Massive MIMO e l'uso dello spettro delle onde millimetriche. Inoltre, il potenziamento dell'attuale infrastruttura 4G con lo standard 5G NR (new radio) in modalità 5G NSA (Non-standalone) è una fase critica per la realizzazione del 5G vero e proprio. Esaminare nei dettagli queste tecnologie e la loro implementazione nell'infrastruttura 5G va oltre lo scopo di questo articolo. Tuttavia, la connessione dei vari tipi di gNB 5G al 5GC è una sfida fondamentale per soddisfare i requisiti di velocità di elaborazione, latenza ed efficienza spettrale. Ed è qui che l'architettura di backhaul 5G gioca un ruolo chiave. Il tipo di struttura di backhaul varia in base a una serie di parametri. La figura 3 mostra alcuni range di base utilizzati dal partenariato pubblico privato per tecnologie 5G (5G-PPP) per qualificare i KPI di base al fine di classificare i loro sei casi d'uso principali (ovvero, ambiente urbano denso, banda larga, veicoli connessi, uffici intelligenti, IoT e TI)^[5].

Figura 3: parametri da considerare in vari casi d'uso del 5G^[5]. 

Aspetti pratici del backhaul 5G: lo split funzionale

L'architettura della rete di accesso radio 3GPP di prossima generazione (NG-RAN) è una topologia di rete disaggregata in cui una stazione base 5G NR (gNB) ha la funzionalità suddivisa tra una CU (Centralized Unit) e una o più DU (Distributed Unit) con la possibilità aggiunta di una RU (Radio Unit) separata.

In genere, la CU elabora protocolli non in tempo reale, mentre le DU sono progettate per elaborare protocolli a livello PHY e servizi in tempo reale per soddisfare le esigenze di bassa latenza di applicazioni specifiche. Gli scenari di distribuzione variano a seconda del tipo di stazione base e dell'operatore di rete mobile (MNO). In ciascuno di questi casi, la rete di fronthaul, midhaul e backhaul sarà diversa. La tabella 1 elenca le varie topologie degli scenari di distribuzione RAN. In ognuno di essi, l'uso di una rete fronthaul o midhaul varia a seconda del tipo di distribuzione. Ad esempio, un hotspot o una small cell potrebbero avere una RU, una DU e una CU integrate e non ci sarebbero fronthaul o midhaul, ma solo una rete di backhaul al 5GC.                                        

Tabella 1: scenari di distribuzione RAN 

Come mostrato nella figura 4, lo split funzionale all'interno della gNB può essere uno split LLS (low layer split) o uno split HLS (high layer split) all'interno del modello OSI (Open Systems Interconnection), un modello che mostra i livelli funzionali all'interno di un sistema di rete. L'HLS, in genere, consente una latenza minore e comunicazioni con velocità di elaborazione più elevata rispetto a un LLS. Lo split intra-PHY, ovvero uno split funzionale all'interno dello strato fisico, ha il vantaggio di supportare funzionalità NR quali carrier aggregation (CA), MIMO (Multiple Input and Multiple Output) di rete, CoMP (coordinated multipoint) e DC (dual-connectivity). Tradizionalmente, il protocollo CPRI veniva utilizzato per supportare la comunicazione tra l'unità in banda base (BBU) e l'unità radio remota (RRH). Tuttavia, poiché il CPRI non è in grado di scalare con gNB dotate di uno split intra-PHY, il protocollo CPRI avanzato (eCPRI) è stato standardizzato per supportare la decomposizione funzionale per il fronthaul (comunicazione tra RU e DU).

Figura 4: punti di split tra le funzioni CU e DU con un (a) high layer split, (b) low layer split e (c) cascaded split^[6]. [Accreditamento dell'immagine: ITU]

Questi split funzionali nel livello fisico richiedono coordinamento dai livelli superiori, rendendo i requisiti di latenza estremamente severi. Ad esempio, il progetto 3GPP pone dei limiti sull'errore di allineamento temporale (TAE, Time Alignment Error), ovvero la maggiore differenza di tempo possibile tra due segnali NR per una specifica configurazione/modalità di trasmissione, dell'ordine di un centinaio di nanosecondi per questi segnali NR, poiché i frame di questi segnali nel dominio irradiato non sono perfettamente allineati nel tempo^[7]. Ciò richiede un alto grado di sincronizzazione, poiché il ritardo di frame unidirezionale massimo per le comunicazioni può arrivare fino a 25 µs (uRLLC) con una sincronizzazione temporale end-to-end di 1,5 µs^[8].

La tabella 2 elenca la latenza unidirezionale di vari tipi di backhaul in base agli input degli operatori elencati negli standard 3GPP, oltre a backhaul wireless nelle frequenze sub-GHz ed mmW^[9]. Il processo Hybrid ARQ (HARQ) che ha sede nel MAC è abilitato nel 5G per soddisfare i requisiti di bassa latenza. Questo processo richiede un tempo round-trip di 5 ms, corrispondente a una distanza di 40 km su una rete in fibra tra CU e DU^[10]. In altre parole, esistono un'ampia gamma di segnali NR e scenari di utilizzo che coinvolgono segnali sincronizzati e non sincronizzati tra small cell, nonché tra small cell e macrocelle. Lo xhaul dovrebbe variare di conseguenza dove le small cell e le macrocelle, che utilizzano operazioni come coordinamento delle interferenze, CA e CoMP, possono essere migliorate attraverso distribuzioni sincronizzate di cluster di small cell e comunicazioni coordinate. Ciò richiede una disposizione gNB specifica tra CU, DU ed RU, con una particolare decomposizione funzionale e una struttura di base adeguata per il backhaul (in fibra o wireless).

Tabella 2: tecnologia di backhaul e relative latenza unidirezionale e velocità di elaborazione^[9]. 

La scelta della tecnologia di backhaul: fibra o wireless

Proprio come il 5G utilizza una miriade di tecnologie radio e spazio dello spettro per ottenere una connettività perfetta, l'infrastruttura per fronthaul, midhaul e backhaul è flessibile anche tra le tecnologie cablate e wireless. A seconda dell'area e dello scenario di utilizzo, esistono configurazioni di sito conosciute e vari tipi di gNB utilizzate. Come mostrato nella tabella 3, il tipo di cella può variare tra una small cell o una macrocella di cui la gNB potrebbe sfruttare spettro mmW, MIMO 5G o persino essere una eNB^[11][12]. Gli ambienti urbani densi possono raggiungere capacità elevate in modo affidabile attraverso un'infrastruttura pesante di small cell con accesso in fibra al 5GC su distanze di trasmissione brevi per comunicazioni a bassa latenza. Gli ambienti suburbani e rurali hanno i problemi di accessibilità più rilevanti. In questi casi è possibile ottenere data rate elevati mediante il backhaul wireless attraverso una macrocella e, più recentemente, attraverso il backhaul satellitare con un satellite HTS (High Throughput Satellite) ad orbita geostazionaria (GEO) o con costellazioni di satelliti in orbita terrestre bassa (LEO).

Tabella 3: varie aree di copertura e i relativi parametri^[11][12]. 

Ad ogni modo, il 5G richiede un numero maggiore di installazioni in fibra profonda con le opzioni di backhaul a microonde e onde millimetriche. Secondo una ricerca ABI, il backhauling in fibra è destinato a crescere fino al 39,6% dei collegamenti di backhaul per le macrocelle entro il 2025, mentre il backhaul a microonde occuperà il 45,1% di tale quota di mercato. La terza tecnologia di backhaul in ordine di grandezza sarà il backhaul a onde millimetriche con il 6,1% del mercato. Le distribuzioni in fibra sono spesso proibitive in termini di costi e tempi per la fase iniziale del 5G. Per questo motivo, la tecnologia Integrated Access Backhaul (IAB) è stata indicata come parte della Release 16 dello standard 3GPP. Questo tipo di backhaul utilizza le gNB già presenti (ad esempio, small cell, terminali wireless fissi, macrocelle, ecc.) per eseguire il backhaul di un segnale attraverso una serie di salti, utilizzando la stessa banda di frequenza o bande di frequenza diverse.

Soddisfare i requisiti di latenza, velocità di elaborazione e distanza nel 5G con il backhaul

L'uso attento dell'architettura xhaul in fibra e wireless è essenziale per soddisfare i requisiti di velocità di elaborazione e latenza del 5G su distanze ampie e/o in presenza di ostacoli al segnale. Questo problema complesso viene risolto attraverso una vasta gamma di tecniche e tecnologie, tra cui IAB, backhaul a microonde, backhaul a onde millimetriche e la scelta di fronthaul o midhaul (o entrambi) per un LLS o HLS in una gNB.

In generale, gli ambienti urbani densi utilizzano massicciamente delle small cell in fibra per il backhaul e la connettività, mentre gli ambienti più rurali si basano su connessioni wireless tramite un collegamento wireless a onde millimetriche o microonde.

Riferimenti

1. https://www.ericsson.com/491e34/assets/local/mobility-report/documents/2018/ericsson-mobility-report-november-2018.pdf
2. Cisco. "Annual Internet Report (2018–2023) White Paper." Marzo 2020.
3. https://www.statista.com/statistics/802690/worldwide-connected-devices-by-access-technology/
4. https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/201807/Documents/3_Erik_Guttman.pdf
5. 5G PPP, "Version 1: 5G PPP use cases and performance evaluation models."
6. ITU-T GSTR-TN5G, "Transport network support IMT-2020/5G." Febbraio 2018.
7. 3GPP, "TS 38.104 V16.5.0:Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception." 3GPP, Settembre 2020.
8. ITU-T G.8271, "Network Limits for Time Synchronization in Packet Networks," International Telecommunications Union, Ottobre 2017.
9. 3GPP, "TR 36.932 V16.0.0; Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN", Report tecnico, 3GPP, Luglio 2020.
10. L. M. P. Larsen, A. Checko and H. L. Christiansen, "A Survey of the Functional Splits Proposed for 5G Mobile Crosshaul Networks," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 1, pp. 146-172, Firstquarter 2019, doi: 10.1109/COMST.2018.2868805.
11.  3GPP, "TR 38.913 V16.0.0: Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies." 3GPP, Luglio 2020.
12. https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/fsimt2020/Documents/2-Wireless%20X-Haul%20Requirements.pdf