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Reti Cellulari 1

Modulo C1 — 5G, Network Slicing e Confronti | Hands on Stem
Modulo C1 di 2

5G, Network Slicing e Confronti

L’architettura 5GC, le 3 facce del 5G, beamforming, mmWave, network slicing, MEC e il confronto con Wi-Fi e LPWAN.

Prof. D. Bertolino Hands on Stem Reti Cellulari

C1.1 Le 3 Facce del 5G: non solo velocità

Il 4G era “Internet mobile veloce” — un’unica promessa. Il 5G è tre promesse in una, ciascuna pensata per scenari completamente diversi. Questo è il cambio di paradigma: la rete non serve più solo gli smartphone, ma un intero ecosistema di macchine, sensori e servizi critici.

eMBB

enhanced Mobile Broadband

  • Velocità: fino a 20 Gbps DL
  • Latenza: ~4 ms
  • Efficienza spettrale 3× vs LTE

Casi d’uso: streaming 4K/8K, realtà virtuale, cloud gaming, download istantanei, hotspot ad alta densità (stadi, concerti).

“LTE sotto steroidi”

URLLC

Ultra-Reliable Low-Latency

  • Latenza: < 1 ms (user plane)
  • Affidabilità: 99.999% (5 nove)
  • Priorità assoluta sulla rete

Casi d’uso: guida autonoma, chirurgia remota, controllo robotico industriale, droni mission-critical.

“Un millisecondo può salvare una vita”

mMTC

massive Machine-Type Comm.

  • Densità: 1M device/km²
  • Batteria: 10+ anni
  • Costo modulo: < 5 €

Casi d’uso: smart city (milioni di sensori), contatori intelligenti, agricoltura su larga scala, monitoraggio infrastrutture.

“Un sensore in ogni lampione”

Perché 3 scenari richiedono una rete diversa

eMBB vuole tanta banda ma tollera qualche millisecondo di latenza. URLLC vuole latenza zero ma usa poca banda. mMTC vuole milioni di connessioni ma ciascuna trasmette pochi byte. Sono requisiti conflittuali: non puoi ottimizzare una rete unica per tutti e tre. La soluzione del 5G è il network slicing: creare reti virtuali separate sulla stessa infrastruttura fisica, ciascuna ottimizzata per il proprio scenario.

C1.2 L’Architettura 5G Core (5GC)

Il core network del 5G è stato riprogettato da zero con un’architettura SBA (Service-Based Architecture): le funzioni di rete sono microservizi che comunicano via API, eseguibili su cloud, scalabili indipendentemente e aggiornabili senza fermare la rete.

Da EPC monolitico a 5GC cloud-native

Nel 4G (EPC), le funzioni (MME, SGW, PGW) sono software monolitici su hardware dedicato. Nel 5G (5GC), ogni funzione è un microservizio containerizzato (Docker/Kubernetes) eseguibile su qualsiasi cloud. Si possono scalare, aggiornare e spostare indipendentemente. È l’architettura che rende possibile il network slicing.

Funzione 5GCEquivalente 4GRuolo
AMF (Access & Mobility Mgmt)MME (parte)Registrazione, autenticazione, mobilità, gestione connessioni
SMF (Session Management)MME (parte) + PGW-CCrea e gestisce le sessioni dati (PDU sessions), assegna IP, seleziona UPF
UPF (User Plane Function)SGW-U + PGW-UInoltra i pacchetti dati. Può essere posizionato all’edge per bassa latenza (MEC)
UDM (Unified Data Mgmt)HSSDatabase utenti: profili, abbonamenti, autenticazione
AUSF (Authentication Server)AuC (parte HSS)Autenticazione utente con algoritmi 5G-AKA o EAP-AKA’
NSSF (Network Slice Selection)— (nuovo)Seleziona la slice appropriata per ogni utente/servizio
PCF (Policy Control)PCRFRegole di QoS, policy per slice, tariffazione dinamica
NEF (Network Exposure)— (nuovo)Espone API della rete a servizi esterni (es. app di terze parti)
NSSF e NEF: le funzioni che non esistevano nel 4G

NSSF è il “direttore del traffico” del network slicing: quando un dispositivo si connette, l’NSSF decide quale slice assegnargli in base al tipo di servizio, all’abbonamento e alla posizione. NEF è la “porta API” della rete: permette a sviluppatori esterni di accedere a funzionalità della rete (posizione, QoS, eventi) tramite API standard. È la base per i servizi 5G as-a-platform.

C1.3 Tecnologie Radio del 5G NR

Massive MIMO

Le antenne 5G hanno 64, 128 o 256 elementi (vs 2-8 del 4G). Ogni elemento è controllato indipendentemente. Questo permette di formare molti fasci contemporanei, ciascuno diretto verso un utente diverso.

Vantaggi: capacità del settore moltiplicata 5-10×, energia concentrata verso l’utente (portata maggiore), interferenza ridotta tra utenti.

Le antenne 5G sono visibilmente più grandi di quelle 4G: sono “pannelli” rettangolari pieni di elementi.

Beamforming

Il beamforming dirige il segnale come un fascio di luce verso un utente specifico, anziché irradiare in tutte le direzioni. In 5G si usa il beamforming digitale e ibrido.

  • Beam sweeping: l’antenna spazza l’area con fasci diversi per scoprire gli utenti
  • Beam tracking: segue l’utente mentre si muove
  • Beam recovery: se il fascio si perde (ostacolo), ne trova uno alternativo

Essenziale per mmWave: senza beamforming il segnale sarebbe troppo debole.

mmWave (onde millimetriche)

Frequenze 24-100 GHz (lunghezza d’onda millimetrica). Enormi blocchi di spettro disponibili (fino a 400 MHz-1 GHz per canale).

  • Velocità: multi-Gbps reali
  • Portata: < 200 m
  • Bloccata da muri, fogliame, pioggia, persone
  • Richiede beamforming + small cell dense

Uso: stadi, centri congressi, centri commerciali, campus privati.

Flexible Numerology

Il 5G NR ha sottoportanti di larghezza variabile (15, 30, 60, 120, 240 kHz). A frequenze basse si usano sottoportanti strette (più robuste); a mmWave si usano larghe (latenza minore).

  • Sub-6 GHz: 15-30 kHz (come LTE)
  • mmWave: 120-240 kHz
  • Mini-slot: trasmissioni ultra-brevi per URLLC

Una rete, più “personalità” radio simultanee.

mmWave: la tecnologia più pubblicizzata e meno diffusa

I lanci commerciali del 5G hanno enfatizzato le velocità mmWave (multi-Gbps), ma nella realtà quotidiana la stragrande maggioranza degli utenti 5G si connette sulla banda mid-band (3.5 GHz). Il mmWave è limitato a installazioni ultra-dense in aree specifiche (stadi, aeroporti, centri commerciali). Fuori da quelle zone il telefono torna su mid-band o addirittura LTE. Non aspettarti 5 Gbps camminando per strada.

C1.4 Network Slicing: una rete, molte reti

Il network slicing è l’innovazione architetturale più importante del 5G. Permette di creare reti virtuali indipendenti (slice) sulla stessa infrastruttura fisica, ciascuna con caratteristiche di QoS, sicurezza e risorse dedicate.

Analogia

Immagina un’autostrada con corsie dedicate: una corsia per le ambulanze (URLLC — sempre libera, priorità assoluta), una corsia per i TIR (mMTC — lenta ma con alta capacità), e corsie normali per le auto (eMBB — velocità variabile in base al traffico). Tutte condividono lo stesso asfalto, ma sono isolate e indipendenti.

Network Slicing: 3 slice sulla stessa rete fisica
Slice eMBB
Banda alta, latenza media. Smartphone, streaming, VR. QoS: best effort + priorità.
Slice URLLC
Latenza < 1 ms, affidabilità 99.999%. Robot, auto autonome, chirurgia. Risorse dedicate.
Slice mMTC
Milioni di device, kbps ciascuno, batteria 10 anni. Sensori, contatori, smart city.
▼ ▼ ▼
Rete fisica
gNodeB + UPF + trasporto + core — condivisi ma isolati logicamente (virtualizzazione)

Come funziona tecnicamente

ComponenteCome viene “sliced”
RAN (gNodeB)Risorse radio dedicate o condivise con priorità per slice. Scheduling differenziato.
TrasportoVLAN/VPN dedicate per slice, QoS end-to-end, bandwidth garantita.
Core (5GC)Istanze separate di SMF, UPF, PCF per ogni slice. Containerizzate (Kubernetes).
Selezione sliceIl dispositivo indica l’S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information). L’NSSF seleziona le funzioni core appropriate.
Esempio concreto: la fabbrica 5G

Una fabbrica usa un’unica rete 5G privata ma con 3 slice: Slice 1 (URLLC) per i robot industriali — latenza < 5 ms, isolamento totale, nessun pacchetto perso. Slice 2 (eMBB) per le telecamere 4K di sorveglianza — alta banda, latenza non critica. Slice 3 (mMTC) per i 10.000 sensori ambientali — pochi byte ogni minuto, batteria lunga. Se la slice eMBB si satura per un update video, le slice URLLC e mMTC non ne risentono.

C1.5 MEC — Multi-access Edge Computing

Per ottenere latenze di pochi millisecondi non basta una radio veloce: i dati devono essere elaborati vicino all’utente, non in un data center a centinaia di km. Il MEC (Multi-access Edge Computing) sposta le applicazioni e i dati all’edge della rete, tipicamente nella stazione base o nel primo nodo di aggregazione.

Cloud tradizionale vs MEC
📱 UE
→
📡 gNodeB
→
🖥️ MEC
UPF + App server
Latenza: 1-5 ms
vs
📱 UE
→
📡 gNodeB
→
Trasporto
100-500 km
→
☁️ Cloud
Latenza: 30-100 ms
Dove si trova il MEC fisicamente?

Il MEC è un server (o cluster di server) posizionato: nella stazione base (on-premise, per URLLC estremo), nel sito di aggregazione dell’operatore (central office, 5-20 km dall’utente), o nel PoP (Point of Presence) regionale (20-100 km). Il 5GC permette di posizionare l’UPF (User Plane Function) all’edge: i dati utente vengono processati localmente senza attraversare l’intero core. Esempi: game streaming, video analytics, AR industriale, CDN locale.

C1.6 Confronto: Cellulare vs Wi-Fi vs LPWAN

Tre famiglie di tecnologie wireless, tre filosofie diverse. La scelta dipende dal caso d’uso.

AspettoCellulare (4G/5G)Wi-Fi (6/7)LPWAN (LoRa/NB-IoT)
SpettroLicenziato (nessuna interferenza)ISM libero (interferenza possibile)ISM o licenziato (NB-IoT)
CoperturaKm (macro) a m (small cell)50-100 m indoor2-15 km
Velocità100 Mbps – 20 Gbps100 Mbps – 46 Gbps0.3 – 200 kbps
Latenza1-30 ms1-20 ms100 ms – secondi
MobilitàEccellente (handover, 500 km/h)Limitata (roaming, walking speed)Limitata (statico/lento)
ConsumoAlto (smartphone), basso (NB-IoT)Medio-altoBassissimo
Costo infrastrutturaAltissimo (torri, licenze, core)Basso (AP, switch)Basso (gateway)
Costo utenteAbbonamento mensileGratuito (propria rete)Basso/gratuito (LoRa)
QoS garantitaSì (SLA, slicing)No (best effort, CSMA/CA)No (best effort)
SicurezzaForte (SIM, crittografia 3GPP)WPA2/3 (configurabile)AES-128 (LoRaWAN)
Caso d’uso idealeMobilità, URLLC, copertura outdoorIndoor, alta densità, campusIoT massivo, remoto, bassa banda
Quando scegliere cosa: la guida rapida

Cellulare quando: serve mobilità vera (auto, treni), copertura outdoor nazionale, QoS garantita (SLA), o quando non puoi installare infrastruttura (es. fleet tracking).
Wi-Fi quando: ambiente indoor controllato, alta densità di utenti, budget limitato, nessun costo per utente, alta banda locale.
LPWAN quando: sensori a batteria, pochi byte per trasmissione, lunga distanza, nessuna necessità di bassa latenza.
Spesso si usano insieme: Wi-Fi indoor + cellulare outdoor + LoRaWAN per IoT.

Private 5G vs Wi-Fi 6: la nuova competizione

Per le aziende, il private 5G (rete 5G dedicata con spettro proprio) sta emergendo come alternativa al Wi-Fi per applicazioni industriali. Vantaggi del private 5G: QoS garantita, latenza prevedibile, sicurezza SIM-based, handover fluido per AGV/robot mobili. Vantaggi del Wi-Fi 6: costo inferiore (10-50× meno), ecosistema dispositivi enorme, nessuna licenza spettro. Oggi: Wi-Fi 6 per uffici e general purpose, private 5G per industria mission-critical.

C1.7 Oltre il 5G: 5G-Advanced e 6G

5G-Advanced (Release 18-19, 2024-2026)

Evoluzione del 5G SA con: AI/ML nativo nella RAN (ottimizzazione automatica), XR ottimizzato (realtà estesa a bassa latenza), ambient IoT (dispositivi senza batteria, alimentati dal segnale radio), NTN (Non-Terrestrial Networks: connettività via satellite integrata con il 5G), RedCap (Reduced Capability: moduli 5G a basso costo per IoT).

6G (previsto ~2030)

In fase di ricerca. Obiettivi: velocità 1 Tbps, latenza < 0.1 ms, frequenze sub-THz (100-300 GHz), digital twin della rete (replica virtuale in tempo reale), comunicazione olografica, sensing integrato (la rete “percepisce” l’ambiente come un radar). AI nativa in ogni componente. Ancora in fase di studio e standardizzazione.

C1.8 Riepilogo del Modulo

3 Scenari
eMBB (20 Gbps), URLLC (<1 ms, 99.999%), mMTC (1M device/km²). Ogni scenario ha requisiti conflittuali.
5GC + SBA
Core cloud-native, microservizi (AMF, SMF, UPF, NSSF). UPF posizionabile all’edge per MEC.
Network Slicing
Reti virtuali indipendenti sulla stessa infrastruttura. Ogni slice ha QoS, risorse e sicurezza dedicati.
Confronti
Cellulare: mobilità + QoS. Wi-Fi: indoor + economico. LPWAN: IoT + lunga distanza. Spesso si combinano.

🧪 Verifica di Autovalutazione

01 Quali sono i 3 scenari del 5G? Perché richiedono requisiti conflittuali?
02 Cos’è il network slicing e quale problema risolve?
03 Cos’è l’architettura SBA del 5GC? In cosa differisce dall’EPC?
04 Cos’è il Massive MIMO e quanti elementi antenna può avere?
05 Perché il beamforming è essenziale per il mmWave?
06 Cos’è il MEC e perché è necessario per URLLC?
07 In quali casi sceglieresti il cellulare anziché il Wi-Fi?
08 Cos’è l’NSSF e quale ruolo ha nel network slicing?
09 Cos’è il private 5G e in quale settore compete con il Wi-Fi?
10 Cita 2 funzionalità previste per il 5G-Advanced.

Soluzioni

Domanda 01 — 3 scenari 5G
eMBB (enhanced Mobile Broadband): velocità fino a 20 Gbps. URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency): latenza < 1 ms, affidabilità 99.999%. mMTC (massive Machine-Type Communication): 1 milione di dispositivi/km². Sono conflittuali perché: eMBB vuole tanta banda (sottoportanti larghe, molti MIMO stream), URLLC vuole latenza minima (mini-slot, risorse dedicate, pre-emption), mMTC vuole tante connessioni a basso consumo (modulazione robusta, duty cycle basso). Non si può ottimizzare una singola configurazione per tutti e tre → serve il network slicing.
Domanda 02 — Network slicing
Il network slicing crea reti virtuali indipendenti (slice) sulla stessa infrastruttura fisica. Ogni slice ha risorse dedicate (o prioritizzate), QoS garantita, isolamento di sicurezza e configurazione ottimizzata per il proprio scenario. Risolve il problema dei requisiti conflittuali: una slice eMBB per gli smartphone, una URLLC per i robot, una mMTC per i sensori — tutte sulla stessa rete fisica ma senza interferirsi a vicenda.
Domanda 03 — SBA vs EPC
SBA (Service-Based Architecture): le funzioni del 5GC sono microservizi indipendenti che comunicano via API HTTP/2. Containerizzati (Docker/Kubernetes), scalabili, aggiornabili singolarmente, eseguibili su qualsiasi cloud. EPC (4G): funzioni monolitiche (MME, SGW, PGW) su hardware dedicato, interconnesse con interfacce punto-punto. Meno flessibile, più rigido da scalare. La SBA è la base che rende possibile il network slicing e il MEC.
Domanda 04 — Massive MIMO
Il Massive MIMO usa antenne con 64, 128 o 256 elementi (vs 2-8 del 4G), ciascuno controllabile indipendentemente. Può formare molti fasci (beam) simultanei verso utenti diversi, moltiplicando la capacità del settore 5-10×. L’energia è concentrata verso l’utente specifico (guadagno di beamforming) anziché irradiata in tutte le direzioni. Risultato: più utenti serviti, portata maggiore, interferenza ridotta.
Domanda 05 — Beamforming e mmWave
Le frequenze mmWave (24-100 GHz) subiscono un’attenuazione di propagazione molto elevata: il segnale si indebolisce rapidamente con la distanza e viene bloccato da quasi ogni ostacolo. Senza beamforming, il segnale sarebbe troppo debole per essere utile. Il beamforming concentra tutta l’energia in un fascio stretto puntato sull’utente, compensando l’attenuazione con un guadagno di antenna elevato. È come passare da una lampadina (omni) a un laser (direzionale).
Domanda 06 — MEC e URLLC
MEC (Multi-access Edge Computing) posiziona server di calcolo all’edge della rete, vicino all’utente (nella stazione base o nel central office). Per URLLC è necessario perché: anche se la radio ha latenza < 1 ms, se i dati devono viaggiare fino a un data center centrale (100-500 km, 30-100 ms di latenza), il requisito end-to-end è violato. Con il MEC, i dati vengono processati localmente in 1-5 ms totali. L'UPF del 5GC può essere posizionato all'edge per instradare i dati direttamente verso il server MEC.
Domanda 07 — Cellulare vs Wi-Fi
Cellulare quando: serve mobilità reale (veicoli a 130 km/h con handover fluido), copertura outdoor su larga scala (impossibile coprire con AP Wi-Fi), QoS garantita con SLA (il Wi-Fi è best-effort), sicurezza SIM-based (autenticazione forte senza configurazione utente), o quando non puoi installare infrastruttura (fleet tracking, wearable medici in mobilità). Wi-Fi è preferibile per: indoor, alta densità controllata, costo basso, nessun costo per utente.
Domanda 08 — NSSF
NSSF (Network Slice Selection Function) è la funzione del 5GC che decide quale slice assegnare a un dispositivo quando si connette. Il dispositivo indica il tipo di servizio richiesto tramite l’S-NSSAI (identificativo della slice). L’NSSF, basandosi su abbonamento, tipo di dispositivo, posizione e disponibilità, seleziona le istanze corrette delle funzioni core (AMF, SMF, UPF) per quella slice. È il “direttore del traffico” del network slicing.
Domanda 09 — Private 5G
Il private 5G è una rete 5G dedicata a una singola organizzazione, con spettro proprio (licenziato o condiviso) e infrastruttura locale. Compete con il Wi-Fi soprattutto nel settore industriale/manifatturiero. Vantaggi vs Wi-Fi: QoS deterministica, latenza prevedibile (per robot e AGV), handover fluido per dispositivi mobili in fabbrica, sicurezza SIM-based. Svantaggi: costo 10-50× superiore, ecosistema dispositivi più limitato. Il Wi-Fi resta preferibile per uffici e general purpose.
Domanda 10 — 5G-Advanced
Due funzionalità tra: AI/ML nativo nella RAN (la rete usa l’intelligenza artificiale per ottimizzare scheduling, beamforming, handover in tempo reale); Ambient IoT (dispositivi senza batteria che raccolgono energia dal segnale radio per trasmettere — tag RFID evoluti); NTN (Non-Terrestrial Networks: satelliti LEO integrati nativamente nella rete 5G per copertura globale); RedCap (moduli 5G NR a costo e consumo ridotti per wearable e sensori); XR ottimizzato (realtà estesa con latenza garantita per visori VR/AR su rete mobile).
Hands on Stem — Corso di Reti Cellulari — Prof. D. Bertolino