Applicazioni del 5G

Prof. Tommaso Di Noia | Politecnico di Bari

Il 5G introduce una importante rivoluzione nella progettazione delle nuove reti radiomobili, tale da offrire nuove opportunità di business per diversi attori coinvolti (fornitore dell’infrastruttura, fornitori di servizi e utenti finali).
La letteratura scientifica classifica le applicazioni abilitate dal 5G mediante le seguenti categorie:

• Applicazioni 5G che richiedono un servizio Enhanced Mobile Broadband (eMBB): esse rappresentano principalmente tutte quelle applicazioni che richiedono una velocità di trasmissione dati molto elevate, per un numero sempre più cospicuo di utenti. A titolo di esempio, applicazioni di questo tipo richiedono servizi di realtà virtuale ed aumentata, distribuzione video ad altissima qualità, condivisione di contenuti multimediali in “Ultra High Definition”, etc.
• Applicazioni 5G che richiedono un servizio Ultra-Reliable and Low Latency Communication (URLLC): in questa categoria rientrano tutte quelle applicazioni caratterizzate requisiti esigenti in termini di latenza e affidabilità. Scenari di riferimento includono la guida autonoma, la chirurgia remota, l’industria 4.0, le reti e sistemi di trasporto intelligenti, etc.
• Applicazioni 5G che richiedono un servizio Massive Machine Type Communication (mMTC): in questo caso si fa riferimento alle applicazioni che adottano ed estendono il paradigma Internet of Things (IoT), secondo il quale una massiva quantità di oggetti intelligenti sparsi su larga scala desiderano trasferire piccole quantità di dati, garantendo al tempo stesso bassi costi e bassi consumi di energia. Il controllo e il monitoraggio di una smart grid, la gestione dei rifiuti in una smart city e l’agricoltura intelligente sono esempi che ricadono in questa categoria.

Nonostante l’incremento di banda e la riduzione delle latenze di comunicazione sull’interfaccia radio rappresentino gli effetti principali di tale rivoluzione, il 5G è in grado di promettere molto di più. Infatti, grazie all’integrazione di nuovi paradigmi e tecnologie di comunicazione, come network slice e multi-access edge computing (MEC), le risorse di comunicazione e computazionali della rete – installate in core network e sul bordo della rete stessa, nota come network edge – possono essere gestite in modo flessibile ed ottimizzato sia dal fornitore dell’infrastruttura (ovvero il proprietario delle risorse), sia dal fornitore di servizi (il quale ha l’importante opportunità di riprogettare i propri servizi usufruendo della “Network as a service”).

Il Laboratorio Applicazioni 5G si pone l’obiettivo di progettare, sviluppare e testare applicazioni innovative per diversi domini applicativi, fruibili mediante l’infrastruttura di comunicazione 5G. Le soluzioni proposte saranno basate proprio sulle innovazioni tecnologiche introdotte dal 5G (ed in particolare da tutto quello che deriva dal paradigma “Network as a Service”), mostrando concretamente ai fornitori di servizi (incluso PMI interessate a cogliere tali opportunità ed offrire nuovi servizi nella città di Matera nelle zone limitrofe) e a tutti i cittadini gli enormi benefici che il 5G offre.
Dal punto di vista tecnico, le attività di ricerca e sviluppo previste per il laboratorio Applicazioni 5G richiedono l’uso (e l’eventuale configurazione) delle risorse di comunicazione e computazionali disponibili all’interno di una infrastruttura 5G come di seguito sintetizzate:

• Possibilità di usare la nuova interfaccia 5G NR potenzialmente installata in ambienti indoor in grado di garantire maggiore banda e minore latenza della comunicazione rispetto al 4G e tecnologie equivalenti.
• In accordo al paradigma MEC, possibilità di usare e configurare le risorse computazionali installate a bordo rete (macchine virtuali, container) per poter installare propri servizi applicativi. Nello specifico, il laboratorio Applicazioni 5G potrebbe anche mostrare soluzioni in grado di adattarsi alla dinamicità delle richieste degli utenti, prevedendo quindi la possibilità di installare, modificare la configurazione (es. memoria disponibile, potenza di calcolo) e disinstallare tali applicazioni on-demand.
• In accordo al paradigma network slice, possibilità di distribuire dinamicamente le risorse di comunicazione e computazionali (disponibili su interfaccia radio e bordo rete) tra gruppi di applicazioni/servizi contemporaneamente attivi, in base ai livelli di qualità del servizio da essi richiesti.

Nel lungo periodo, il Laboratorio Applicazioni 5G si propone come un luogo di incontro e di confronto tra industria, mondo accademico e Pubblica Amministrazione, utile per condividere servizi innovativi, e relative soluzioni tecnico-strategiche, di interesse per il nostro territorio. Pertanto, il Laboratorio Applicazioni 5G avrà un forte impatto sul territorio, con concrete prospettive di creazione di impresa ad alto contenuto tecnologico. Infatti, le reti 5G, che rappresentano il fulcro del laboratorio, mirano alla realizzazione di un ecosistema di innovazione che coinvolgerà attori industriali e di ricerca, anche molto influenti e rilevanti nella proposta di nuovi standard (3GPP, ETSI, etc.). Le imprese e gli enti accademici e di ricerca potranno anche impegnarsi nello sviluppo di ulteriori testbed sperimentali o di applicazioni e servizi innovativi da offrire nel prossimo futuro. Anche i cittadini, inclusi tra gli internet user, sono coinvolti nelle attività del Laboratorio Applicazioni 5G. Infatti, essi sono interessati a conoscere approfonditamente le caratteristiche tecnologiche e le potenzialità delle reti 5G per trarne, tramite ad esempio l’acquisto e l’utilizzo di smartphone in grado di supportare la rete 5G, numerosi vantaggi, come la maggiore velocità di trasferimento dati, la possibilità di lavorare da remoto in modalità più agevolata, la domotica ed il gaming online.
Al fine di diffondere, aggiornare, integrare o ampliare le conoscenze di giovani e lavoratori residenti nel territorio in merito alle reti 5G ed alle innovative applicazioni offerte saranno proposti percorsi di formazione. Così, tramite il trasferimento tecnologico sulle reti e sulle applicazioni 5G, i cittadini e le imprese del territorio potranno trarre vantaggi dalle attività del laboratorio.

Missione ed obiettivo operativi del laboratorio
La Mission del Laboratorio Applicazioni 5G è quella di configurare una infrastruttura di comunicazione 5G, usare tale infrastruttura in casi d’uso specifici e definire una roadmap per future attività di interesse per il territorio (coinvolgendo industria, mondo accademico e Pubblica Amministrazione).
Particolare attenzione sarà dedicata all’uso degli emergenti paradigmi di comunicazione, quali Multi-access Edge Computing (MEC) e network slice, in grado di supportare lo sviluppo di soluzioni scalabili, flessibili, robuste, altamente performanti (si pensi ad esempio alla riduzione della latenza end-to-end introdotta dall’uso del MEC) e configurabili dal fornitore di servizi (si pensa alle opportunità di gestione delle risorse di rete abilitate dal network slice).
Al tempo stesso, il Laboratorio intende valutare gli effetti riguardanti l’esposizione delle persone alle radiazioni generate da campi elettromagnetici (CEM) in ambienti indoor ed in presenza di ostacoli eterogenei, al fine di verificare e dimostrare come le radiazioni non ionizzanti generate da stazioni radio base 5G sono in linea con i livelli previsti dalle normative vigenti.
L’infrastruttura di comunicazione messa a disposizione del laboratorio permetterò altresì di implementare e testare lo use case “real-time flood risk alerting and communication”, il cui obbiettivo è collezionare stream video da webcam esterne e valutare, mediante processing delle immagini basato su tecniche di machine learning, lo scenario attuale, il livello di rischio ed eventuali azioni di allertamento.
Le principali fasi esecutive del Laboratorio Applicazioni 5G riguardano la realizzazione e l’uso del laboratorio.

FASE 1
ATTIVITÀ 1
Network deployment
L’infrastruttura di rete 5G core nonché l’interfaccia radio 5G NR sarà installata presso la Casa delle Tecnologie.

ATTIVITÀ 2
Configurazione e collaudo
Le attrezzature verranno configurate, predisposte le postazioni di lavoro verranno predisposte e le restanti attrezzature saranno predisposte nei locali che ospiteranno il laboratorio. Il laboratorio realizzato verrà, poi, collaudato per testare l’effettivo funzionamento delle attrezzature e la loro corretta installazione. Infine, sarà possibile effettuare una preliminare stima delle performance dell’infrastruttura realizzata, così da determinare i principali Key Performance Indicator (KPI) di riferimento.
FASE 2
ATTIVITÀ 1
Progettazione di applicazioni ed analisi delle prestazioni
La strumentazione predisposta opportunamente nell’infrastruttura installata, configurata e collaudata sarà utilizzata per sperimentare le reti 5G, con relativi servizi e applicazioni innovativi. In particolare, sarà valutata l’esposizione di tessuti ai CEM generati dall’infrastruttura di reti 5G fornita dal Laboratorio. Inoltre, si utilizzerà la nuova interfaccia 5G NR, potenzialmente installata in ambienti indoor, al fine di garantire maggiore banda e minore latenza della comunicazione rispetto al 4G e tecnologie equivalenti. Si valuterà il paradigma MEC, attraverso la generazione di traffico tramite i terminali 5G e il MEC server a disposizione del Laboratorio, sfruttandone i log generati all’interno della rete. Nello specifico, il laboratorio Applicazioni 5G potrebbe anche mostrare soluzioni in grado di adattarsi alla dinamicità delle richieste degli utenti, prevedendo quindi la possibilità di installare, modificare la configurazione (es. memoria disponibile, potenza di calcolo) e disinstallare tali applicazioni on-demand. In accordo al paradigma network slice, sarà studiata e valutata anche la possibilità di distribuire dinamicamente le risorse di comunicazione e computazionali (disponibili su interfaccia radio e bordo rete) tra gruppi di applicazioni/servizi contemporaneamente attivi, in base ai livelli di qualità del servizio da essi richiesti. In parallelo, sarà possibile analizzare ed osservare i fenomeni di irradiazione e la propagazione radio in ambienti limitrofi al laboratorio, tramite metodologie di machine learning e deep learning, supportate dalle workstation previste del laboratorio, al fine di analizzare l’occupazione degli ambienti indoor mediante approcci data-driven.

ATTIVITÀ 2
Validazione finale e roadmap
Dopo aver analizzato e validato l’efficacia delle soluzioni progettate, il laboratorio fornirà supporto agli gli stakeholder del territorio per l’uso e l’estensione di tali soluzioni e lo sviluppo di nuovi approcci per il futuro.
Attività e Use Case perseguiti dal laboratorio
Il Laboratorio Applicazioni 5G ha individuato tre principali casi d’uso, con eterogenei requisiti di qualità, che saranno presi in considerazione durante la fase 2 dell’uso del laboratorio stesso.

USE CASE 1
Sistemi di video sorveglianza, composti da telecamere, monitor/display e registratori
Questi sistemi in scenari indoor, così come in scenari outdoor, possono funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, possono essere progettati per registrare solo in risposta al movimento o impostati per registrare in momenti specifici della giornata. I requisiti generali richiesti sono di 10 ms di latenza di comunicazione e di 1-5 Mbps di banda per camera. Per quanto riguarda le risorse computazionali a bordo rete, le applicazioni di video sorveglianza richiedono una quantità di memoria RAM di 8 GB e una potenza di calcolo offerta da almeno 4 processori con frequenza di calcolo compresa nel range 1.2-1.4 GHz.

USE CASE 2
applicazioni Augmented Reality (AR)/Virtual Reality (VR)
L’AR utilizza visori mobili per sovrapporre informazioni testuali e multimediali alla realtà che si osserva, mentre tramite VR è possibile realizzare un ambiente virtuale in cui entrare per utilizzare contenuti multimediali. Le applicazioni AR/VR (utilizzabili anche in ambito manufacturing) richiedono una latenza di 7 ms ed una larghezza di banda di 5000 Mbps. In merito alle risorse computazionali a bordo rete, è richiesta una quantità di memoria RAM di 1-4 GB e una potenza di calcolo offerta da 2-4 processori con frequenza di calcolo compresa nel range 2.2-3.4 GHz.

USE CASE 3
Applicazioni di e-Health
Chiamata anche digital health, o salute digitale, che consiste nell’uso di tecnologie informatiche e di telecomunicazione a vantaggio della salute umana. Quindi, questo caso d’uso è relativo agli strumenti e ai servizi digitali al servizio della salute e delle cure mediche tramite cui è possibile migliorare prevenzione, diagnosi e terapie delle patologie, nonché monitoraggio da remoto e gestione della salute e degli stili di vita. I requisiti generali richiesti sono di una latenza di comunicazione attorno a 10 ms e di una banda di circa 5 Mbps. Per quanto riguarda le risorse computazionali a bordo rete tali applicazioni richiedono una quantità di memoria RAM di 1-8 GB (ma anche 64 GB in servizi più avanzati) e una potenza di calcolo offerta da 4-8 processori con frequenza di calcolo 2.1 GHz