Domenico Verde – Tesi 2023

Il 5G è il protagonista dell’elaborato presentato da Domenico Verde per il conseguimento della laurea magistrale in ingegneria informatica nel marzo 2023. Il 5G rappresenta, ad oggi, l’ultima innovazione per le reti mobili cellulari. Anche se nel mondo esistono diverse cospirazioni contrarie all’introduzione delle reti 5G, molteplici studi mostrano chiaramente come tale cambiamento possa portare notevoli benefici economici in molteplici settori, oltre a fornire agli utenti una migliore user experience rispetto alle reti attualmente esistenti. Una rete di quinta generazione è stata concepita, di fatto, su concetti informatici innovativi quali ad esempio Network Functions Virtualization e Software Defined Networking. Una rete di quinta generazione, inoltre, può rappresentare il supporto abilitante per nuove tecnologie basate su Intelligenza Artificiale e/o Machine Learning e per la realizzazione dell’Internet-of-Things. A partire dal 2020, diversi operatori di telefonia italiani hanno iniziato a lanciare sul mercato un servizio di copertura 5G e diversi dispositivi compatibili con tale tecnologia. Tuttavia, tutti i vantaggi e le innovazioni previste da una rete 5G non sono attualmente implementati in questi prodotti commerciali. Una delle caratteristiche più peculiari di una rete di quinta generazione è la funzionalità di Access Traffic Steering, Splitting e Switching (ATSSS). Tale funzionalità consente agli utenti di connettersi alla rete non solo utilizzando l’interfaccia radio (cella), ma anche ad esempio tramite un access point WiFi (pubblico o privato) e di utilizzare, sia in fase di trasmissione che di ricezione di chiamate, SMS o dati via internet, entrambi i canali a cui è connesso. L’obiettivo primario di questo lavoro è di ottimizzare, previa creazione di un opportuno testbed di simulazione, le prestazioni di una tratta satellitare in una rete 5G per l’ATSSS. Nella prima parte della tesi, teorica, si è provveduto a descrivere l’architettura di una rete 5G e le principali procedure che permettono di accedere ai servizi offerti dalla rete sia mediante l’accesso standard via radio (3GPP), sia mediante un accesso non-standard (Non-3GPP, ad esempio via WiFi o via satellite). Nella seconda parte, sperimentale, si è provveduto a descrivere il lavoro svolto per la creazione di un testbed di simulazione per l’ATSSS. Per l’emulazione di un accesso 3GPP, sono stati configurati opportunamente dei software open-source esistenti (Free5GC e UERANSIM) all’interno di macchine virtuali gestite tramite l’hypervisor KVM/QEMU. Per l’emulazione di un accesso Non3GPP, invece, vista l’assenza di tecnologie esistenti, è stata necessaria l’implementazione di un apposito UE in grado di supportare le principali procedure per permettere ad un utente di accedere alla rete (registrazione, autenticazione e PDU session estabilishment). L’UE, sviluppato utilizzando il linguaggio di programmazione Go, è stato poi sottoposto ad un’attenta fase di validazione ed è risultato perfettamente compatibile con il software di emulazione della core network Free5GC. Successivamente, tra UE e Core Network è stata inserita opportunamente una rete satellitare, emulata tramite una versione pre-installata del software open-source Opensand. Infine, per la realizzazione del testbed per l’ATSSS, si è provveduto ad utilizzare l’implementazione del protocollo Multi-Path TCP presente nel Kernel Linux 5.15. In quest’ultima parte, inoltre, si è provveduto ad includere un’analisi delle prestazioni in termini di latenza, jitter, perdite e throughput sia nel caso in cui venga utilizzata una rete di accesso Non-3GPP satellitare e sia nel caso in cui venga utilizzata una rete di accesso Non-3GPP terrestre. Il lavoro si conclude osservando che è possibile integrare un canale satellitare come rete d’accesso Non3GPP in una rete 5G, ma è possibile sfruttarne a pieno i relativi vantaggi solo configurando opportunamente i buffer utilizzati in trasmissione ed in ricezione. È possibile, inoltre, utilizzare il protocollo MP-TCP per la realizzazione dell’ATSSS in due configurazioni alternative: nel caso di utilizzo della tratta satellitare come canale di backup, l’intero sistema assume una maggiore affidabilità e quindi una maggiore resistenza a guasti di componenti della rete; nel caso di utilizzo del canale satellitare simultaneamente al canale 3GPP in fase di trasmissione o ricezione, il throughput complessivo del sistema viene massimizzato rispetto al solo accesso standard 3GPP.