Il problema dell`ottimizzazione - ISCOM

Seminario “Reti eterogenee nel contesto 5G:
potenzialità e prospettive”
Il problema dell’ottimizzazione:
costi, energia, capacità
Scuola Superiore di Specializzazione
in Telecomunicazioni
Paolo Grazioso
Fondazione Ugo Bordoni
Roma, 11 febbraio 2016
Introduzione al problema

L’ottimizzazione di una rete mobile richiede di:

identificare i parametri che ne determinano la qualità;

combinarli in una funzione obiettivo (o funzione costo) che rappresenti il
rapporto tra costi e benefici della soluzione adottata;

pesare i vari parametri privilegiando gli aspetti che si vogliono ottimizzare
(es. copertura, throughput, efficienza energetica, ecc.);

ottimizzare la funzione costo con metodologie standard, determinando così
l’insieme di parametri che consentono di ottimizzare il funzionamento della
rete.

Tale processo è complicato in una HetNet 5G per la varietà di KPI e di
specifiche, a volte in contrasto fra loro (es. massimizzare il throughput e
minimizzare il consumo energetico).

Occorre anche valutare la sensibilità delle prestazioni al variare dei parametri
in ingresso: se piccole variazioni nella domanda di servizi da parte dell’utenza
possono innescare grandi fluttuazioni nella qualità della rete, una soluzione
anche molto soddisfacente in condizioni di lavoro nominali può non costituire la
migliore scelta possibile.
2
Le dimensioni dell’efficienza


Tradizionalmente, parlando di efficienza di una rete radiomobile, si intendeva l’efficienza
spettrale.

Occorreva valutare gli Erlang di traffico che potevano essere serviti con la banda a
disposizione e sull’area di servizio considerata.

Con l’avvento dei servizi dati, al posto degli Erlang si passò a valutare i bit al secondo
(throughput) come misura del traffico servito.

Problema: non tutti i tipi di traffico sono uguali!

È possibile differenziare utenti e servizi “premium” che, pagando di più,
ottengono prestazioni migliori… e garantite.

Servizi di emergenza ed altri “mission critical” (es. sorveglianza) non possono
essere sacrificati a beneficio di altri anche se questo comporta una riduzione del
throughput.
Più recentemente, considerati i sempre maggiori costi (sia ambientali che monetari) dei
consumi energetici, accanto all’efficienza spettrale si è iniziato a considerare l’efficienza
energetica.

Bisogna tenere in conto i consumi che si verificano in tutte le componenti di un sistema
radiomobile: la rete di trasporto (backhaul), la rete d’accesso (RAN) che comprende le
stazioni base, ed infine i terminali d’utente (UE).

Problema: l’aumento del traffico comporta aumento dei consumi.
3
Costi e benefici

Due tipologie di costi:

CAPEX (Capital Expenditure): costo iniziale per la messa in funzione


costo della licenza, opere civili, acquisizione degli apparati, ecc.;
OPEX (Operational Expenditure): costi operativi e di gestione

canoni d’affitto, personale, manutenzione, ammortamento, ecc.

TCO (Total Cost of Ownership): somma di CAPEX e OPEX

I benefici per l’operatore consistono nei ricavi. Ovviamente i ricavi aumentano in
base a due fattori: numero di clienti e ARPU (Average Revenue Per User).

Per acquisire e mantenere clienti è essenziale offrire:

capacità sufficiente;

un servizio di cui gli utenti siano soddisfatti (QoE, Quality of
Experience).
4
Le componenti del costo:
numero e tipologia di siti

Lo sviluppo delle HetNet comporterà la densificazione della rete:

grande quantità di small cells con il conseguente aumento del numero di
siti da acquisire e gestire

Per una small cell l’hardware incide solo per il 10% sul costo totale del sito
10%
10%
30%
Backhaul
Acquisition
Rent & Power
Hardware
Deployment
30%
20%
Figura adattata da Nokia Networks white paper: “The HetNet Engine Room (H.E.R.): Bringing
R.O.I. and Scalability to Ultra-Dense Networks”, Nokia Solutions and Networks 2015
5
Le componenti del costo:
la rete di interconnessione
Valutare il costo complessivo della rete di interconnessione (backhaul) richiede
di tenere in conto molti fattori
Floor space
Fault
management
Maintenance
Spectrum and
fibre leasing
Energy cost
Installation
Equipment
OPEX
Infrastructure
CAPEX
Purchasing

Figura adattata da M. Mahloo, P. Monti, J. Chen and L. Wosinska: “Cost Modeling of Backhaul for
Mobile Networks”, IEEE ICC 2014, Sydney, June 2014
6
Costo del backhaul:
CAPEX

Il costo iniziale (CAPEX) comprende tutte le spese necessarie per dispiegare e
mettere in funzione la rete di interconnessione. Comprende:

Il costo degli apparati:


spese per l’acquisto e l’installazione delle varie componenti
individuate nella fase di dimensionamento della rete.
Il costo delle infrastrutture:

spesa per installare l’infrastruttura in fibra oppure costo di noleggio
delle fibre quando esse vengono affittate da un altro operatore che le
ha già installate.

Costo dell’installazione dei collegamenti a microonde (tralicci ed
antenne) quando necessari.
7
Costo del backhaul:
OPEX

Il costo dell’energia dovuto ai consumi nelle varie parti della rete:

Central Office (CO) ovvero i locali che ospitano i terminali ottici (Optical Line Terminal,
OLT): consumi degli apparati, impianti per il raffreddamento dei locali ed altri consumi
accessori.

Cabinet: consumi degli apparati, raffreddamento.

Apparati ottici installati presso i locali degli utenti che si connettono alle celle indoor
che forniscono il servizio in tali locali.

Collegamenti a microonde: i consumi avvengono nei siti che ospitano le antenne e gli
apparati di trasmissione e ricezione.

Il costo per il noleggio di spettro e fibre proporzionale al numero ed alla tipologia di
collegamenti a microonde ed al numero di chilometri di fibra affittata, rispettivamente.

Costi di manutenzione ordinaria: monitoraggio e verifiche periodiche degli apparati,
aggiornamenti del software, rinnovo dei componenti di supporto (es. batterie).

Costi per la gestione dei guasti (“fault management”): acquisto di un nuovo componente (se
necessario), tempo necessario per la riparazione o sostituzione del componente
danneggiato, tempo e costo per il viaggio (se necessario).

Costi per i locali (“floor space”) . Tali spese possono essere suddivise tenendo distinti gli
affitti di spazi al coperto e quelli per posizioni all’esterno, dove non viene fornito
l’alloggiamento degli apparati.
8
Costo del backhaul:
Scelte progettuali

L’operatore ha a disposizione diverse scelte progettuali per il backhaul:


Fibra o collegamenti a microonde

L’utilizzo delle microonde diventa via via più costoso di quello delle fibre con il
crescere del numero di small cell. Ciò è dovuto sia al costo dei componenti (che
incide sul CAPEX) che ai consumi energetici (che contribuiscono all’OPEX):
entrambe queste voci crescono in modo quasi lineare con il numero di celle.

In reti molto dense la soluzione in fibra è più conveniente rispetto
all’utilizzo di collegamenti a microonde.
Acquisto degli apparati o affitto della capacità



Parlando delle soluzioni in fibra ottica, la scelta di affittare la fibra anziché posare
dei cavi in fibra in trincee di proprietà dell’operatore è più economica, ed inoltre
consente una messa in opera più rapida
Scelte architetturali sull’interconnessione tra le small cell ed il resto della rete
Il backhaul in una rete eterogenea è nettamente più costoso e complesso che in una
architettura tradizionale.

Occorre scegliere con attenzione sia l’architettura che la tecnologia.
9
Fattori che compongono la QoE
Rapidità di accesso ai
servizi/contenuti richiesti
Durata della batteria
Latenza
Energia
Usufruire di servizi anche
quando ci si sposta
rapidamente (es. treni AV)
Mobilità
QoE
Disponibilità del servizio
in ogni luogo
Copertura
Data rate
10
Rapidità di trasferimento
dei dati e fruizione del
servizio
Parametri che determinano la qualità dell’esperienza:
Latenza


Applicazioni di monitoraggio e di controllo: richiedono una banda molto ridotta ma latenza
“quasi nulla” (<1 ms). Spesso si parla in gergo di “latenza zero”.

Applicazioni di “tactile internet”: richiedono latenza estremamente bassa unita ad alta
disponibilità, affidabilità e sicurezza della rete come applicazioni di tipo giochi, realtà
aumentata, interazione “fisica” fra utenti lontani, ecc..

Sviluppi di smart grid, smart home e smart city

Applicazioni e-health, come ad esempio interventi di chirurgia svolti da remoto
(eventualmente tramite robot?)
La latenza deve diminuire in linea con l’aumento della data rate.

Dal punto di vista delle aspettative dell’utente il ritardo di consegna è un fattore chiave,
specialmente in applicazioni che richiedono un alto livello di interazione.
Dove avvengono
i ritardi?
Fornitore di
contenuti
Tempo di risposta del
server dei contenuti
Infrastruttura
di rete
Terminale
d’utente
Apparati di rete
Politiche di instradamento
Tipo di terminale
(le applicazioni rispondono in modo
diverso sui diversi terminali)
Non controllabili dall’operatore!
11
Parametri che determinano la qualità dell’esperienza:
Mobilità


La qualità di servizio per utenti in movimento è fortemente influenzata dalla loro velocità:

Ritardi, effetto Doppler, fading, cammini multipli

L’effetto di questi fenomeni aumenta con il crescere della velocità: degradazione della
qualità al crescere della velocità.
Pertanto, uno dei parametri da tenere in conto nel valutare la QoS e la QoE è la velocità
massima a cui certe prestazioni vengono supportate o garantite.
12
Parametri che determinano la qualità dell’esperienza:
Data rate

Aumento delle richieste: data rate di utente garantita 100 MBps, data rate di picco 10 Gbps

Servizi con elevate data rate: servizi multimediali, video, streaming, eventi sportivi, ecc.

L’utente si aspetta qualità paragonabile a quella ottenibile su rete fissa

Applicazioni “always on”, come i servizi di messaggistica istantanea, push mail, social
network, di contro richiedono basse velocità di trasmissione.

Il parametro che determina la QoE non è tanto la velocità di trasmissione complessiva fornita
all’utente cioè la capacità di canale (livello 1-2 della Pila OSI, PHY-DLL), quanto la capacità
effettiva che se misurata a livello 4 (Trasporto) è detta throughput, se a livello 7
(Applicazione) goodput.

La QoE è più vicina al goodput, comunque la differenza tra throughput e goodput è in
genere minima.

La differenza tra le capacità nei vari livelli OSI è dovuta ai campi per l’instradamento, la
codifica, la correzione degli errori ed altre informazioni di sistema. Questi dati
supplementari (overhead) costituiscono un aumento del carico che deve essere
trasportato sull’interfaccia radio.

Quando l’utente si trova in condizioni non ottimali di copertura o di interferenza (es. a
bordo cella, all’interno di edifici): per consentire una corretta decodifica dei dati ricevuti,
il sistema può aumentare il livello di codifica e l’ordine di modulazione impiegati in
trasmissione, di fatto aumentando l’overhead e quindi riducendo il goodput.
13
Parametri che determinano la qualità dell’esperienza:
Copertura


HetNet: architettura multi-strato: macrocelle e small cell (micro, pico, femto, relay).

Densificazione della rete

Le small cell aumentano capacità e copertura a costi più bassi delle macro
La copertura in un sistema 5G dipende dal servizio e dai livelli di prestazioni richiesti

Le diverse applicazioni richiedono diversi livelli di segnale e di SNIR (Signal to Noise
plus Interference Ratio).

Come la copertura, anche la qualità (QoS/QoE) varia a seconda delle condizioni locali.

Occorre minimizzare l’interferenza da e verso le stazioni macrocellulari e tra le celle
adiacenti. Pertanto occorrono schemi di coordinamento dell’interferenza.

La possibilità di interconnessione dei sistemi 5G con ad esempio le WLAN influenzano
QoS/QoE: occorre prevedere efficienti tecniche di handover tra sistemi al fine di poter
scegliere le tecnologie di accesso più adeguate.
Figura tratta da: INFOTECH OULU ANNUAL REPORT
2014 - RADIO ACCESS TECHNOLOGIES (RAT)
Professor Matti Latva-aho
http://www.oulu.fi/infotech/annual_report/2014/rat
14
Parametri che determinano la qualità dell’esperienza:
Energia

Il consumo energetico delle reti di telecomunicazioni mobili costituisce un parametro di cui
tenere conto nella loro ottimizzazione.

Consumo nella rete di trasporto (backhaul, core network), nella RAN, nei terminali

Anche le scelte architetturali e topologiche relative alla rete di trasporto influenzano i
consumi energetici complessivi

Le applicazioni multimediali richiedono un sempre più alto consumo energetico:
l’efficienza energetica influenza l’esperienza dell’utente (durata della batteria).

I dispositivi d’utente integreranno tecnologie di accumulo di energia
15
Definizione dei parametri per la funzione obiettivo

Il processo di ottimizzazione della rete può essere espresso in forma sintetica mediante una
funzione obiettivo il cui valore deve essere massimizzato. Essa dovrà contenere i termini
che rappresentano i costi e quelli che rappresentano i benefici.

Costi: consistono essenzialmente nella spesa in termini di denaro (TCO), che si compone di
costi iniziali (CAPEX) e di costi operativi ricorrenti (OPEX).


Altre grandezze (es. il tempo necessario per il dispiegamento o la riconfigurazione
della rete) possono essere considerate in modo non esplicito, poiché esse
contribuiranno a determinare il grado di soddisfazione dell’utente, e di conseguenza la
probabilità che tale utente cambi o meno il proprio operatore.
I benefici da tenere in conto sono invece essenzialmente quattro: la capacità (legata
all’efficienza spettrale), l’efficienza energetica, la qualità di servizio (QoS) e la qualità
dell’esperienza (QoE) percepita dall’utente.

QoS: esprimibile mediante parametri oggettivi e misurabili (ritardi, probabilità di perdita
di dati, probabilità di perdita della comunicazione, ecc.).

QoE: è soggettiva e dipende dal particolare utente e dall’applicazione considerata (per
esempio, un ritardo irrilevante per servizi come la visione di filmati in streaming può
diventare intollerabile per servizi in tempo reale come una conversazione).

Problema: determinare il legame tra QoS e QoE.
16
Formulazione del problema:
Definizione della funzione obiettivo

Una volta definiti i costi ed i benefici, la funzione obiettivo combina i relativi parametri
mediante una somma algebrica oppure un rapporto, pesando i singoli parametri con
opportuni fattori moltiplicativi.



I pesi consentono di privilegiare l’uno o l’altro aspetto: ad esempio massimizzare la
capacità oppure minimizzare il consumo energetico.
Formulazione compatta e semplice, ma nella pratica alquanto complicata:

I parametri non sono indipendenti fra loro e le scelte effettuate per ottimizzare alcuni di
essi si ripercuotono anche sugli altri: occorre assicurare che i miglioramenti che si
ottengono rispetto ad un parametro non causino un’eccessiva degradazione in qualche
altro parametro.

Problema di ottimizzazione vincolata: ottimizzare i valori di alcuni parametri,
assicurando nel contempo che nessun altro parametro assuma valori non consentiti.
L’ottimizzazione della rete richiede una cooperazione tra i suoi vari elementi già dalla fase
di progettazione.

Ad esempio sono stati proposti metodi per la progettazione di reti eterogenee
“ecologiche” (green), che mirano ad un bilanciamento ottimizzato fra efficienza
spettrale, efficienza energetica e qualità di servizio/esperienza.
17
Criteri di ottimizzazione delle reti 5G
Sono definiti diversi casi
d’uso e tipologie di
servizio
Non tutti richiederanno le
stesse prestazioni e
pertanto l’ottimizzazione
andrà fatta “su misura”
per le varie tipologie di
servizio
18
Conclusioni

L’ottimizzazione di reti eterogenee deve tenere in conto numerose variabili indipendenti fra
loro e con specifiche che possono essere contrastanti.

In pratica è tuttora impossibile trovare un metodo analitico in grado di ottimizzare tutti i
parametri rispetto ai rispettivi vincoli.

Si utilizzano metodi numerici per la valutazione delle prestazioni di una rete
eterogenea anche molto complessa e quindi per la determinazione delle sue
configurazioni più adeguate.

Occorre identificare i parametri principali che riassumono costi e benefici.

Essi vengono combinati in una funzione obiettivo da ottimizzare (una somma algebrica, un
rapporto o altre espressioni analitiche valutabili in forma chiusa).

Pesando opportunamente i vari parametri si può ottimizzare la rete per alcuni
parametri e servizi, garantendo comunque il rispetto dei vincoli su tutti i parametri e
tutti i servizi.

Forma e parametri di tale funzione, e relativi pesi, sono scelti dall’operatore a seconda
del caso specifico.
19
Grazie dell’attenzione, a voi la
parola…
Paolo Grazioso
[email protected]