5G, dall’internet delle cose a quello delle molte cose / 5G, from the internet of things to that of many things

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Si lavora freneticamente al 5G, la rete di nuova generazione. Che trasformerà l’Internet of Things nell’Internet of Many Things, un network di oltre 50 miliardi di prodotti connessi tra loro. Ecco come.

Un tempo erano i Tacs, la prima generazione (1G, per l’appunto) di telefoni portatili, voluminosi e pesanti. Oggi, quasi trent’anni dopo, siamo quasi arrivati alla quinta. Che si chiama, poco sorprendentemente, 5G, e promette di stravolgere completamente il panorama delletelecomunicazioni. È già da tempo che diverse équipe di scienziati in tutto il mondo se ne stanno occupando: l’ultimo lavoro, in ordine di tempo, è quello appena pubblicato sui Proceedings of the Ieee da una squadra della Tuft University, che ha messo a punto un algoritmo che sfrutta i protocolli del 5G per localizzare e tracciare oggetti e dispositivi con velocità ed efficienza di gran lunga superiore rispetto alle possibilità attuali. Tanto che, a detta degli autori, consentirà di passare dall’Internet of Thingscontemporanea a un’Internet of Many Things. Un mondo iperconnesso, dove oltre 50 miliardi di oggetti (smartphone, computer, sensori e chi più ne ha più ne metta) saranno in rete e potranno comunicare l’uno con l’altro.

Dall’1 al 5Per capire la portata della rivoluzione tecnologica che si sta compiendo, facciamo un passo indietro. E torniamo alla fine degli anni ottanta, quando nasceva lo standard Tacs (acronimo di Total Access Communication System). Si tratta di un protocollo analogico su cui si basavano i telefoni cellulari – il termine deriva, per l’appunto, dal fatto che il protocollo era basato su trasmissioni su frequenze radio da celle contigue – che rese per la prima volta possibile il concetto di dispositivo portatile. Nel 2005 si passò al 2G, uno protocollo digitale il cui standard era il Gsm e che implementava anche la crittografia (nello specifico trasmissioni cifrate e sistemi di autenticazione) e la possibilità di trasmettere dati (Sms e Wap) oltre alla fonia. I protocolli 3G e 4G, con i rispettivi standard Umts e Lte, hanno poi ulteriormente migliorato i servizi, soprattutto in termini di velocità di trasferimento, sicurezza, offerta di applicazioni multimediali e integrazione con la rete internet.

“Sostanzialmente”, ci spiega Nicola Blefari Melazzi, docente all’Università di Roma Tor Vergata e direttore del Consorzio nazionale interuniversitario per le telecomunicazioni (Cnit), ente che ha organizzato, a dicembre prossimo, la prima conferenza italiana sul tema del 5G, “i cambiamenti di protocolli dall’1 al 4G hanno rappresentato dei miglioramenti prestazionali e di sicurezza. Il 5G, invece, rappresenta un cambio di paradigma totale, perché non identifica solo un’evoluzione delle reti cellulari, ma riguarda potenzialmente l’intera rete, da estremo a estremo. Inoltre, il 5G è il primo insieme di protocolli a integrare il paradigma del cloud: tradizionalmente, internet è stata una rete di telecomunicazioni che forniva connettività e quindi trasferimento di informazioni, ma in cui i dati e l’intelligenza erano situati ai bordi della rete stessa e non al suo interno. Con il 5G, è il network a includerli, ospitando al suo interno le funzioni di memorizzazione e processamento. Il modello di comunicazione, insomma, non sarà più da persona a persona (ossia da telefono a telefono), ma da un dispositivo al cloud a un altro dispositivo”.  

Le caratteristicheBlefari Melazzi riassume così le principali caratteristiche dei protocolli basati sul 5G: “Anzitutto c’è il tema della densità e velocità delle comunicazioni, la cosiddetta Enhanced Mobile Broadband”, continua. “I nuovi protocolli non solo aumenteranno la velocità delle singole connessioni, ma ne miglioreranno anche la densità, consentendo, per esempio, a tutti gli utenti in uno spazio ristretto (per esempio i passeggeri in un vagone della metropolitana pieno) di usufruire di servizi video ad alta definizione o di servizi a realtà aumentata o virtuale”. Ma non solo: “Un’altra delle caratteristiche del 5G è quella di rendere possibile comunicazioni ad alta affidabilità e bassa latenza (Ultra-reliable and low latency communications): la rete deve essere sempre fruibile con un tempo di reazione, ossia il tempo che intercorre tra il momento in cui si fa una richiesta e quello in cui si riceve una risposta, molto basso, a prescindere dalla quantità di dati trasmessi”.

Attualmente, il tempo di latenza tra le comunicazioni è dell’ordine delle centinaia di millisecondi, ancora troppo alto; il 5G permetterà di abbatterlo di due ordini di grandezza, il che sarà di grande aiuto, per esempio, nello sviluppo di applicazioni per la guida autonoma, per l’automazione industriale e per la medicina (si pensi a un veicolo che sta arrivando a un incrocio stradale, scenario in cui è indispensabile che l’informazione arrivi agli altri veicoli molto velocemente e senza errori, o al tempo che deve intercorrere tra l’input di un chirurgo che manovra un robot a distanza e l’azione della macchina).

Un’altra caratteristica è quella, già accennata, relativa alle comunicazioni tra cose (Massive Machine Type Communications). “L’avvento dell’Internet of Things”, spiega Blefari Melazzi, “implica la necessità di mettere in rete un grande numero di dispositivi, ognuno dei quali genera una modesta quantità di dati ma deve costare poco e consumare poca energia. Con il 5G l’idea di un mondo realmente iperconnesso diventa realistica e sostenibile”. Una tra le peculiarità che rendono possibili questi avanzamenti sta nel fatto che il 5G prevede la softwarizzazione della rete: i nuovi protocolli, infatti, faranno sì che sarà il software a svolgere funzioni di rete attualmente realizzate, almeno in parte, da dispositivi hardware. “Grazie alla softwarizzazione sarà possibile, tra le altre cose, suddividere la rete in fette, ognuna delle quali fornirà a un sottoinsieme degli utenti una rete virtuale completamente autonoma, da estremo a estremo, capace di soddisfare specifiche esigenze per specifici scenari d’uso”.

L’ultimo studioIl paper appena pubblicato dai ricercatori della Tufts University si inquadra nello scenario dell’internet delle cose. Gli scienziati, in particolare, hanno sviluppato un algoritmo che localizza e traccia i dispositivi connessi demandando parte di questo compito ai dispositivi stessi. Il contrario di quello che avviene ora: attualmente, infatti, il posizionamento dei dispositivi è completamente centralizzato, e dipende dall’agganciamento dei dispositivi a punti fissi noti, come antenne o satelliti Gps; al crescere del numero dei dispositivi, però, si rende necessario installare sempre più punti fissi, il che è poco sostenibile.

Per questo, i ricercatori hanno messo a punto un nuovo software di localizzazione distribuita in una rete 5G, in cui sono i dispositivi a processare i dati relativi al loro posizionamento: “La necessità di fornire i dati della posizione di ciascun sensore, dispositivo o veicolo”, spiega Usman Khan, uno degli autori del lavoro, “sarà sempre più sentita in futuro. Ci saranno applicazioni nell’ambito della logistica, della salute, della sicurezza, dell’agricoltura, dell’ambiente, della gestione delle emergenze e di tanto altro. Le possibilità pressoché infinite dell’Internet of Things e della rete 5G ci richiede di sviluppare algoritmi decentralizzati di questo tipo”.

ApplicazioniCosa faremo con il 5G quando sarà pienamente operativo? La domanda giusta è cosa stiamo già facendo. Come vi abbiamo raccontato, la tecnologia è già in fase di test a Roma, dove il comune, con la partecipazione di Fastweb ed Ericsson, sta mettendo alla prova applicazioni di realtà virtuale per i turisti e di tracciamento del traffico e dei mezzi di trasporto pubblico basati sulle reti di quinta generazione. Anche Genova ha avviato un progetto analogo, nel campus di Erzelli, con un laboratorio 5G di telecomunicazioni e internet delle cose; a Milano sono partite sperimentazioni nell’ambito della sanità intelligente, gestione del trafficoe servizi di emergenza e turismo. “Dal canto nostro”, conclude Blefari Melazzi, “stiamo conducendo diversi test, ognuno dei quali usa una o più componenti dei protocolli 5G. Un esempio è la gestione della logistica del porto di Livorno: il sistema consente di identificare e monitorare tutti i container contenuti nelle navi che attraccano o partono. Un altro, in un ambito completamente diverso, è il monitoraggio, tramite sensori, di una nuova specie di iguana appena scoperta nelle Galapagos”

ENGLISH

It's worked frantically at 5G, the new generation network. That will transform the Internet of Things in the Internet of Many Things, a network of over 50 billion connected products. That's how.

Once were the Tacs, the first generation (1G, precisely) of portable, voluminous and heavy phones. Today, almost thirty years later, we have almost reached the fifth. Which is called, little surprisingly, 5G, and promises to completely disrupt the landscape of telecommunications. Several teams of scientists all over the world have been working on it for some time: the latest work, in order of time, is the one just published on Proceedings of the Ieee by a team from Tuft University, which has developed a algorithm that uses the 5G protocols to locate and track objects and devices with speed and efficiency far superior to current possibilities. So much so that, according to the authors, it will allow to move from the Contemporary Internet of Things to an Internet of Many Things. A hyper-connected world, where over 50 billion objects (smartphones, computers, sensors and so on and so forth) will be on the web and can communicate with each other.

From 1 to 5

To understand the extent of the technological revolution that is taking place, let's take a step back. And back in the late eighties, when the standard Tacs (acronym of Total Access Communication System) was born. It is an analogue protocol on which the mobile phones were based - the term derives, in fact, from the fact that the protocol was based on transmissions on radio frequencies from contiguous cells - which made the concept of device for the first time possible portable. In 2005 we moved to 2G, a digital protocol whose standard was the Gsm and which also implemented cryptography (specifically encrypted transmissions and authentication systems) and the ability to transmit data (SMS and Wap) in addition to speech. The 3G and 4G protocols, with the respective Umts and Lte standards, have further improved the services, especially in terms of transfer speed, security, multimedia applications and integration with the Internet.

"Substantially", explains Nicola Blefari Melazzi, professor at the University of Rome Tor Vergata and director of the National Inter-University Consortium for Telecommunications (Cnit), which organized, in December, the first Italian conference on the theme of 5G, " the changes in protocols from 1 to 4G represented improvements in performance and safety. The 5G, instead, represents a change of total paradigm, because it does not identify only an evolution of cellular networks, but potentially concerns the entire network, from extreme to extreme. In addition, 5G is the first set of protocols to integrate the cloud paradigm: traditionally, the internet was a telecommunications network that provided connectivity and then information transfer, but where data and intelligence were located at the edges of the network itself and not inside it. With 5G, it is the network that includes them, hosting the storage and processing functions. The communication model, in short, will no longer be from person to person (ie from phone to phone), but from a device to the cloud to another device ".

Features

Blefari Melazzi summarizes the main characteristics of the protocols based on 5G: "First of all there is the topic of density and speed of communications, the so-called Enhanced Mobile Broadband", he continues. "The new protocols will not only increase the speed of individual connections, but they will also improve the density, allowing, for example, to all users in a confined space (for example passengers in a full metro car) to take advantage of video services high definition or augmented or virtual reality services ". But not only: "Another of the features of the 5G is to make high reliability and low latency communications possible: the network must always be usable with a reaction time, ie the time that between the moment you make a request and the one in which you receive a very low response, regardless of the amount of data transmitted ".

Currently, the latency time between communications is of the order of hundreds of milliseconds, still too high; the 5G will reduce it by two orders of magnitude, which will be of great help, for example, in the development of applications for autonomous driving, industrial automation and medicine (think of a vehicle that is coming to a road crossing, a scenario in which it is essential that the information arrives to the other vehicles very quickly and without errors, or at the time that must pass between the input of a surgeon who maneuver a remote robot and the action of the machine).

Another feature is the one already mentioned, related to communications between things (Massive Machine Type Communications). "The advent of the Internet of Things", explains Blefari Melazzi, "implies the need to network a large number of devices, each of which generates a modest amount of data but must cost little and consume little energy. With the 5G the idea of ​​a truly hyper-connected world becomes realistic and sustainable ". One of the peculiarities that make these advances possible is the fact that the 5G foresees network softwarization: the new protocols, in fact, will make the software perform network functions currently realized, at least in part, by hardware devices. "Thanks to the softwarization it will be possible, among other things, to divide the network into slices, each of which will provide a subset of users with a completely autonomous virtual network, from extreme to extreme, able to meet specific needs for specific use scenarios" .

The last study

The paper just published by Tufts University researchers is framed in the Internet of Things scenario. Scientists, in particular, have developed an algorithm that locates and tracks connected devices by delegating part of this task to the devices themselves. The opposite of what happens now: in fact, the positioning of the devices is completely centralized, and depends on the coupling of the devices to known fixed points, such as antennas or GPS satellites; as the number of devices increases, however, it is necessary to install more and more fixed points, which is not very sustainable.

For this, the researchers have developed a new software for localization distributed in a 5G network, in which the devices process the data related to their positioning: "The need to provide the position data of each sensor, device or vehicle ", Explains Usman Khan, one of the authors of the work," will be increasingly felt in the future. There will be applications in the fields of logistics, health, safety, agriculture, the environment, emergency management and much more. The almost infinite possibilities of the Internet of Things and the 5G network require us to develop decentralized algorithms of this type ".

Applications

What will we do with the 5G when it will be fully operational? The right question is what we are already doing. As we have told you, the technology is already being tested in Rome, where the municipality, with the participation of Fastweb and Ericsson, is testing virtual reality applications for tourists and tracking traffic and public transport based on fifth generation networks. Genoa has also launched a similar project, on the Erzelli campus, with a 5G telecommunications and internet of things laboratory; in Milan, trials were carried out in the areas of intelligent healthcare, traffic management, emergency services and tourism. "For our part," concludes Blefari Melazzi, "we are conducting several tests, each of which uses one or more components of the 5G protocols. One example is the logistics management of the port of Livorno: the system allows you to identify and monitor all the containers contained in the ships that dock or depart. Another, in a completely different field, is the monitoring, through sensors, of a new species of iguana just discovered in the Galapagos "

Da:

https://www.wired.it/scienza/lab/2018/06/07/5g-internet-molte-cose/