Potenzialità dell’accesso condiviso allo spettro in ottica 5G: Panoramica sullo stato dell’arte tecnico e

regolamentare e analisi delle problematiche di coesistenza

Stato dell’arte tecnico e regolamentare per

l’accesso condiviso allo spettro

Claudia Carciofi Fondazione Ugo Bordoni Seminario ISCOM - 11 dicembre 2017

Agenda

Inquadramento progetto PACOS

Scenari applicativi 5G

Quadro di riferimento regolamentare per l’uso dello spettro

Scenari d’uso spettro verso il 5G: • uso congiunto di bande licenziate e non licenziate

• Uso condiviso dello spettro

Approcci e metodologie per l’uso condiviso dello spettro

Conclusioni e sviluppi futuri

Progetto PACOS

Evoluzione tecnologica verso il 5G: possibili problematiche di coesistenza con utilizzi già in esercizio (incumbent), soprattutto, ma non solo, in bande candidate all’uso condiviso dello spettro

Il progetto “Potenzialità dell’Accesso COndiviso dello Spettro (PACOS)”, svolto in collaborazione tra la Fondazione Ugo Bordoni (FUB) e l’Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell'Informazione (ISCOM), è stato ideato e condotto allo scopo di sviluppare, consolidare e validare le metodologie di test finalizzate alle analisi di coesistenza

La metodologia proposta si basa sulla combinazione di misure in laboratorio e on air attraverso l’identificazione di opportuni set-up sperimentali e di procedure di test. Tale approccio, pur essendo stato implementato e validato per le analisi di coesistenza tra sistemi Wi-Fi e TDD LTE in banda 2.3-2.4 GHz, risulta del tutto generale e potrà essere applicato per lo studio di altri scenari di condivisione dello spettro previsti per lo sviluppo futuro dei sistemi 5G

Scenari previsti per sistemi 5G

Raccomandazione ITU-R M.2083: sono stati identificati i principali scenari d’uso per IMT-2020: • Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

• Ultra-reliable and low latency communications (URLLC)

• Massive machine type communications (mMTC)

MassiveMassiveMassive machinemachinemachinemachinemachine typetypetypetypetype communicationscommunicationscommunicationscommunicationscommunications (mMTC)(mMTC)(mMTC)(mMTC)

Caratteristiche reti 5G

copertura sempre ed ovunque, fissa e mobile

elevata velocità di trasmissione in up e down

basso ritardo tra trasmissione e ricezione

basso consumo, lunga vita dei dispositivi

elevata affidabilità

Tecnologie abilitanti per 5G

reti eterogenee (HetNets): macrocelle, microcelle, picocelle

Antenne intelligenti: massive MIMO, AAS, beamforming

Uso dello spettro ad onde millimetriche > 6 GHz

Ampie larghezze di banda del canale per garantire bit rate elevate

Uso di spettro licenziato, condiviso e non licenziato

sistema utilizzabile da più settori industriali con differenti specificità (settori verticali)

Nuovi requisiti sui sistemi di antenna 5G

Fonte Telecom Italia

La rete di accesso Radio sta implementando tecnologie innovative allo scopo di aumentare drammaticamente la capacità e l’efficienza spettrale determinando anche un impatto sulla complessità dei sistemi di antenna.

12 (HB) + 6 (LB) beams lens antenna

1. Multi-Beam Antennas for extra huge capacity

2. Massive MIMO for impressive user experience

Multi-columns phased array

BT

Band 1 Band 2 Band N Multi-Band eNB

Multi-RET

3. Multi-Band Antennas for intensive CA and very high data rate

Vertical Sectorization

ON

Vertical Sectorization

OFF

4. Active Antenna Systems for beam sectorization , adaptive beamforming

5. mmW for eXtreme Fixed and Mobile Broadband

Le frequenze per il 5G

Esigenze di spettro per i sistemi radiomobili 5G (IMT-2020):

Preparazione prossima WRC-19:

studi appropriati per la determinazione delle esigenze di spettro per la componente terrestre IMT nell’intervallo di frequenze tra 24.25 GHz e 86 GHz

studi di condivisione e compatibilità per le seguenti bande di frequenza: 24.25-27.5 GHz, 31.8-33.4 GHz, 37-40.5 GHz, 40.5-42.5 GHz, 42.5-43.5 GHz, 45.5-47 GHz, 47-47.2 GHz, 47.2-50.2 GHz, 50.4-52.6 GHz, 66-76 GHz e 81-86 GHz

Bande pioniere 5G in Europa:

RSPG ha definito le bande prioritarie e le frequenze pioniere per l’introduzione dei sistemi wireless terrestri 5G in Europa:

3400 - 3800 MHz banda prioritaria adatta all’introduzione dei servizi basati sul 5G in Europa anche prima del 2020

banda 24.25-27.5 GHz come banda pioniera per l’Europa che deve essere armonizzata prima del 2020

banda 700 MHz con l’obiettivo di abilitare una copertura 5G nazionale e anche garantire la copertura indoor

Quadro di riferimento regolamentare per l’uso dello spettro

Scenari d’uso spettro verso il 5G: uso congiunto di bande licenziate e non licenziate

Problema coesistenza tra sistemi LTE-U/LAA e WiFi

Utilizzo per sistemi mobili bande ad uso libero tradizionalmente usate per sistemi come il WiFi

benefici dell’uso dello spettro senza licenza al mondo radiomobile:

soddisfare la crescente domanda di dati offrire agli utenti finali connessioni ad alta capacità, attraverso l'aggregazione di spettro

licenziato e ad uso libero

L’impiego di bande ad uso libero da parte di reti LTE presuppone un uso ‘gestito’ della risorsa radio, a differenza di quanto accade per i sistemi WiFi. Ciò significa che la rete dovrà garantire tutte le funzionalità tipiche dei sistemi radiomobili (autenticazione, core network unificata, ecc.) e soddisfare specifici requisiti di sicurezza e di prestazioni.

Gli studi in materia di coesistenza tra sistemi WiFi e LTE svolti nel Progetto PACOS, pur facendo riferimento a frequenze e, in parte, a scenari d’uso differenti costituiscono un bagaglio di conoscenze metodologiche, teoriche e analitiche che si potranno impiegare, in prospettiva, anche per l’analisi di casi d’uso differenti orientati anche ai sistemi 5G, come appunto il paradigma LAA per l’utilizzo dello spettro

Tecnologie in bande licenziate e non licenziate

Fonte Qualcomm

Licensed Assisted Access

• Modalità di impiego dello spettro: Licensed Assisted Access (LAA) una modalità di utilizzo delle frequenze innovativa, fondamentale nel percorso di evoluzione delle comunicazioni mobili verso il 5G • LTE-U/LAA : uso Carrier Aggregation (CA) per aumentare la capacità fornita dallo spettro licenziato LTE attraverso l’integrazione di frequenze non licenziate

• spettro licenziato cella primaria (Pcell) e non licenziato di una o più celle secondarie (Scells)

• le celle primarie servono il traffico con requisiti più stringenti di ritardo e garantiscono la copertura del servizio mentre le celle secondarie gestiscono maggiormente il traffico di tipo best effort

Scenari d’uso spettro verso il 5G: condivisione dello spettro

Fonte Qualcomm

Tecniche di condivisione dello spettro (I)

Condivisione orizzontale:

Coesistenza tra sistemi aventi tecnologie radio simili Minore complessità e minore neutralità tecnologica

Condivisione verticale:

Coesistenza tra diverse tecnologie (numero limitato di tecnologie o tutte le tecnologie)

Maggiore complessità per il controllo dell’interferenza Approccio regolamentare di neutralità tecnologica

Complessità sharing

Neutralità tecnologica

Tecniche di condivisione dello spettro (II)

Tecniche distribuite di condivisione dello spettro

Tecniche basate sul sensing Selezione dinamica del canale (DFS/DCS)

Tecniche centralizzate di condivisione dello spettro

Geo-location database

Tecnica basata su LSA Licenced Shared Access Possibile uso del geo-location database per gestire la coesistenza tra diversi

incumbent e servizi LSA

Spectrum sensing tecniche di “spectrum sensing” vengono attuate dai dispositivi per rilevare la

presenza di servizi protetti in ciascuno dei canali potenzialmente disponibili misurazioni dei parametri radioelettrici sul canale candidato per stabilire se un

servizio protetto è o meno presente. Se il canale è disponibile, il monitoraggio può essere esteso ai canali adiacenti per stabilire se occorre o meno limitare entro certi valori la potenza trasmessa sul canale libero

per garantire adeguata protezione agli utilizzatori primari le soglie di sensing devono essere fissate a valori molto bassi e ciò comporta un aumento dei costi e della complessità dei dispositivi

diverse tecniche di spectrum sensing: rilevazione dei livelli di energia, la rilevazione delle forme d’onda o delle caratteristiche di ciclo-stazionarietà. Ciascuno di questi metodi presenta una capacità di rilevamento o una complessità computazionale diversa. La scelta di uno specifico metodo di sensing è effettuata in funzione del tipo di segnale da monitorare e delle risorse computazionali disponibili.

Database di geolocalizzazione I dispositivi determinano la loro posizione e consultano un database di "geo-

localizzazione" per determinare quali frequenze possono utilizzare nella loro posizione. Parametri rilevanti per un corretto funzionamento sono l’accuratezza della posizione e la frequenza con cui sono richiesti i dati al database

I dispositivi non possono trasmettere fino a quando non hanno determinato

correttamente dal database quali canali sono disponibili nella loro posizione. Ciò richiede che il primo accesso al database avvenga mediante un canale riservato, ubicato in una gamma di frequenze diversa da quella potenzialmente impiegata dagli utilizzatori primari

L’accuratezza della georeferenziazione è un elemento importante del metodo di accesso al database

Esistono diversi modi per georeferenziare adeguatamente i dispositivi. I

dispositivi fissi come gli access point possono essere configurati in modo da memorizzare la loro corretta posizione al loro interno. I personal computer e dispositivi portatili possono utilizzare tecnologie di geo-localizzazione quali il GPS.

Definizione di LSA (Licenced Shared Access)

LSA consiste in un sistema di licenze con diritti d’uso individuali per un numero limitato di licenziatari in una determinata banda di frequenza, già attribuita ad uno o più soggetti assegnatari in via primaria (incumbent).

Gli utilizzatori addizionali (LSA licensees) hanno il diritto di utilizzare le frequenze in oggetto (o parte di esse), secondo le regole di condivisione contenute nei diritti d’uso accordati

Le regole che permettono la condivisione di risorse frequenziali in termini di tempo, spazio e specifiche frequenze dovranno essere convenute con gli utilizzatori incumbent e fissate nei diritti d’uso associate alle licenze da parte delle Autorità di Regolamentazione (NRA) e dovrebbero permettere a tutte le parti coinvolte di mantenere una QoS prevedibile

Per quanto utile in particolari bande già assegnate a servizi primari incumbent e, quindi, di difficile accesso per vie alternative da parte degli operatori radiomobili (ad es: la banda 2.3 GHz e nelle bande 3.4-3.6 GHz), uno dei limiti dell’approccio LSA sta nella parzialità dell’estensione nell’utilizzo sul territorio e nel tempo che, pur permettendo una QoS predefinita, possono essere fortemente limitanti per le strategie commerciali

Approccio di condivisione basato su LSA

Metodologia per definire sharing framework

A regulatory approach aiming to facilitate the introduction of radiocommunication systems operated by a limited number of licensees under an individual licensing regime in a frequency band already assigned or expected to be assigned to one or more incumbent users. Under the Licensed Shared Access (LSA) approach, the additional users are authorised to use the spectrum (or part of the spectrum) in accordance with sharing rules included in theirrights of use of spectrum, thereby allowing all the authorised users, including incumbents, to provide a certain Quality of Service (QoS)

STEP 1. Identify incumbent uses

STEP 2. Determine the rules and conditions for sharing

STEP 3. Authorise the use of the spectrum by other users/new

entrants

STEP 4. Verify compliance with sharing rules

Source: draft ECC Report 254

Architettura concettuale LSA

National Administration

LSA repository Geolocatio

n database spectrum availability

Technical sharing

rules and parameter

s

LSA channel usage

reporting

LSA controller Interference Monitoring and control

QoS assessment and control

Incumbent network LSA network

Definition of the sharing framework

Sharing framework and rules

Management of incumbent and LSA information (GIS)

Monitoring and reporting

Act

ivat

ion/

deac

tivat

ion

of ri

ghts

of u

se

Authorised LSA services technical and geographical

data

Incumbent geographical & technical

data

LSA simulation tool

Evaluation of Interference and QoS

Sharing/ Compatibilit

y analysis

Propagation Coverage analysis

Approccio di condivisione

Possibile condivisione dello spettro sulla base di separazione geografica e/o frequenziale e/o temporale

Approccio di condivisione database assisted (database dinamico) eventualmente potenziato con tecniche di sensing (double green)

Predisposizione di valutazioni di impatto e di coesistenza in casi tipici che servono per il successivo popolamento del database

Sviluppo del geolocation database: area geografica e tipologia di utilizzazione consentita (es. potenza consentita, raggio di copertura, tipologia nuovo servizio) Aggiornamento del geolocation database su base temporale Definizione della tipologia e formato delle informazioni del database

In fase di autorizzazione si devono riportare le condizioni d’uso dei servizi e le

capacità necessarie per l’accesso al geolocation database e eventualmente i requisiti cognitive per il double green

Implementazione geolocation database

GEO-LOCATION DATABASE

Selezione canale

Informazioni su incumbent

Analisi di propagazione

Identificazione area geografica di possibile utilizzo

per altri servizi

Determinazione valori EIRP nuovi servizi nell’area

Aggiornamento Look-up table database

Analisi di propagazione

Identificazione

Determinazione valori EIRP

Aggiornamento Look

Fine analisi canali ? Fine possibile utilizzo

altri servizi

Determinazione valori EIRP nuovi servizi nell’area

Aggiornamento Look-up table database

Determinazione valori EIRP

Aggiornamento Look

Si

No Informazioni su

Combinazione geolocation database e spectrum sensing

Geo-location Database

Canale “X”

Pixel Coordinate Pixel ENG EIRP- Tipologia servizio–

Raggio copertura Est Nord

1 421700 200200 ---

2 421800 200200 ---

3 421900 200200 ---

Spectrum Sensing

Rete primaria

GEO-LOCATION DATABASE

SPECTRUM SENSING

Nuovo servizio

Conclusioni e sviluppi futuri

Sono state analizzate le potenzialità dell’accesso condiviso allo spettro in ottica 5G considerando

diversi approcci e metodologie (sensing, geolocation database, LSA)

E’ stato discusso il potenziale d’uso di bande libere per tecnologie radiomobili innovative 4.5G e 5G: le gamme di frequenza che oggi appaiono maggiormente promettenti sono la 5 GHz e la 60 GHz

Per rendere praticabile l’impiego delle diverse tecnologie ci sono ancora molti ambiti di studio da indagare e molti quesiti ancora aperti, relativi sia al tema della propagazione radiomobile che della coesistenza tra servizi che concorrono per l’uso della medesima banda

Questi ambiti di indagine richiedono interventi in tempi piuttosto rapidi, in considerazione proprio della altrettanto rapida evoluzione dei sistemi mobili, così da ampliare le conoscenze oggi disponibili e alimentare adeguatamente i processi di standardizzazione e di regolazione necessari

Gli studi richiesti rientrano perfettamente nel campo delle competenze disponibili presso l’ISCOM e la FUB, perciò è possibile individuare un percorso di ulteriori indagini da svolgere congiuntamente a supporto dell’introduzione e dello sviluppo del 5G

Tali studi richiedono approfondimenti di tipo teorico e sperimentale che potrebbero essere svolti anche in relazione alla piattaforma end-to-end per il 5G di cui l’ISCOM e la FUB si stanno occupando nel progetto “5G E2E”