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5G Private Network: casi d’uso

Cristian Cocozza, Giuseppe Parlati, Antonio Simone, Riccardo Zanini

Approfondimenti:

Le Reti Private Mobili 5G (MPN) sono quelle reti mobili il cui accesso è dedicato ad uso esclusivo del Cliente. I trend di mercato delle MPN, divulgati dalle principali aziende di analisi, sono molto promettenti e non lasciano dubbi sul fatto che questo sia un mercato che gli operatori devono presidiare. Inoltre, l'interesse non si ferma alla pura connettività, ma si estende verso i nuovi spazi riguardanti servizi innovativi per la trasformazione digitale, la Industry 4.0 e le piattaforme intelligenti. Per questa ragione le Reti Private Mobili 5G rappresentano uno degli elementi fondamentali sui quali TIM punta per supportare le aziende nella Trasformazione Digitale e nella connettività evoluta. Si possono realizzare molteplici soluzioni architetturali MPN: si parte dalle tecniche di segregazione del traffico (es. slicing) applicato alle infrastrutture di rete pubblica, fino alle soluzioni completamente installate in casa del cliente (on-prem). TIM, tra queste, ha identificato un portfolio di soluzioni architetturali che possono essere di interesse per le aziende e che incontrano le diverse possibili esigenze concrete di mercato in termini di prestazioni, sicurezza, estensione geografica e - non ultimo - di budget.

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5G Private Network

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Le Reti Private Mobili

Una Rete Privata Mobile (MPN) è una rete cellulare con accesso dedicato ad uso esclusivo del Cliente, abilitando la connessione unicamente alle SIM “private”, ossia le SIM non pubbliche ma appartenenti al cliente della MPN (es. dipendenti, collaboratori, fornitori, partner, …). Trattandosi di reti protette dall’accesso di utenti “pubblici” ed essendo, tipicamente, non interconnesse né con la rete pubblica, né direttamente con Internet, le reti private garantiscono le performance massime in termini di velocità di trasmissione, di latenza (ritardo con cui viene trasmesso il dato), di affidabilità della rete e di sicurezza del dato. In Bibliografia/Urlografia è possibile trovare diverse topologie architetturali per realizzare una MPN, come descritto in [1]. In particolare, tra le Reti Pubbliche e le Reti Private esistono molteplici architetture ibride che possono essere realizzate a seconda dei requisiti funzionali, prestazionali, organizzativi e non ultimo di budget:

Public Network;
Public Network con SLAs;
Network Slicing (su Public Network)
Public Network con una Infrastruttura Locale;
Stand Alone Public Network con Frequenze dell’Operatore;
Stand Alone Public Network con Frequenze non licenziate oppure Private.

In TIM un primo passo fondamentale è stato quello di identificare quattro possibili scenari architetturali per soddisfare le diverse esigenze di mercato. La Fig.1 rappresenta la tassonomia delle soluzioni rispetto al Livello di Accessibilità ed al Livello di Prossimità del Dato verso l’azienda cliente. Di seguito descriviamo i 4 modelli architetturali e con il termine “rete dedicata” intendiamo quei modelli in cui delle risorse della rete pubblica vengono riservate all’uso esclusivo dell’impresa, ad esempio mediante l’uso dello Slicing.

Reti Private On-Net: questo scenario realizza una MPN attraverso una rete mobile dedicata su cui possono attestarsi diversi clienti, naturalmente con connettività separata e sicura. Questa architettura prevede un modulo di Local-Breakout in sede del cliente, permettendo quindi di segregare il traffico dati unicamente in sede del cliente, dove viene installato anche il nodo Radio dedicato. Le componenti installate dal cliente dialogano con la rete TIM per il traffico di controllo, oltre che per il monitoraggio del servizio (assurance).
Reti Private Distrettuali: anche questo modello architetturale viene realizzato attraverso una rete mobile dedicata, ma i dati trasmessi sulla rete non vengono segregati nella sede di un singolo cliente, ma arrivano fino alla core network dedicata nel feeder più vicino al distretto industriale di cui il cliente fa parte. L’obiettivo è dare accesso a diversi clienti geograficamente vicini al distretto, così da beneficiare della bassa latenza, dato che il traffico dati si chiude nella core network del distretto.
Reti Private on-Premise & Internazionali: Queste sono le realizzazioni che vengono implementate interamente in sede del cliente (on-premise) e quindi, oltre al nodo radio, anche la core network è dispiegata completamente onprem. Naturalmente i dati sono totalmente segregati all’interno della sede del cliente. In questo scenario, l’unica tipologia di traffico che esce dalla sede cliente è quello di assurance per il monitoraggio del servizio da parte di TIM (o di un partner nel caso internazionale). Questo modello è esportabile potenzialmente anche all’estero. Le richieste potrebbero riguardare location estere soggette a digital-divide, dove non c’è disponibilità di connettività fissa verso l’esterno, fondamentale in ottica Assurance. In questo caso, a valle della MPN, occorre optare per connessioni satellitari per garantire al sito del cliente anche una connettività WAN per scopi di monitoraggio.
Reti Private Multi-Site: questa architettura è identica a quella on-prem precedentemente illustrata, ma con l’estensione per poter coprire più sedi di uno stesso cliente. In questo caso uno di questi siti (ragionevolmente l’Headquarter) dovrà includere la componente HSS, dove sono registrate le SIM aziendali dedicate al progetto. Le procedure di autenticazioni SIM ed il Control Plane passeranno quindi per questo sito. I dati, invece, saranno segregati nelle singole sedi quando è richiesto l’accesso al Data Center locale, dato che ognuna di esse include la componente di local-breakout. In ogni caso, da una sede periferica sarebbe possibile accedere al DC dispiegato presso l’HQ e viceversa.

Figura 1: Architetture di reti private potenzialmente implementabili secondo TIM

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L’offerta commerciale TIM al momento riguarda l’architettura on-prem (TIM 5G Private Network | TIM ENTERPRISE). Di seguito (Fig.2) illustriamo un quadro sinottico dove per ognuno di questi modelli rappresentiamo dove vengono localizzate (in sede Cliente oppure in sede TIM) le principali componenti/servizi: Nodo Radio, Core Network, segregazione Dati, servizio di Assurance. Questi elementi sono anche i fattori principali che concorrono alla identificazione della migliore architettura da realizzare rispetto alle esigenze del cliente. Ad esempio, con la segregazione dei Dati all’interno della sede del cliente diminuisce la latenza ed aumenta la sicurezza del dato, che rimane confinato nell’ambiente di lavoro aziendale. Altro elemento architetturale che aggiunge grande valore alle MPN nell’ambito dei mercati verticali sono le Open RAN. In particolare, TIM, con la piattaforma Open SMO Framework (Progetto Restart: Open RAN e AI – a cura di M. Ludovico), permette di gestire soluzioni MPN ancora più flessibili e maggiormente aderenti ai requisiti di copertura specifici del Cliente.

Figura 2: Architetture di reti private potenzialmente implementabili secondo TIM

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Il mercato delle Reti Private

Anche se il mercato delle Reti Private è ancora agli inizi, le prime tendenze indicano che il mercato crescerà molto rapidamente, superando le 20.000 reti entro il 2026 con una spesa delle imprese che raggiungerà i 5 miliardi di dollari [2]. In una ricerca più recente (2022), International Data Corporation (IDC) prevede che i ricavi delle infrastrutture wireless private in tutto il mondo raggiungeranno 8,3 miliardi di dollari entro il 2026, con un aumento significativo rispetto ai ricavi del 2021 pari a 1,7 miliardi di dollari. Inoltre, IDC prevede che, nel periodo 2022-2026, il mercato raggiungerà un “tasso di crescita annuale composto” di cinque anni (CAGR) del 35,7% [3].
Anche se la spesa prevista per le reti private nei prossimi 5 anni riguarda circa il 10% della spesa totale per le reti pubbliche, per gli operatori telco conquistare una quota di questo mercato è fondamentale per svariate ragioni:

Le MPN rappresentano una fonte di ricavi addizionali che, per i principali, operatori potrebbero corrispondere a decine di milioni di dollari;
Le MPN abilitano la crescita di nuovi mercati: Digital Transformation, IoT, Industry 4.0, Manufatturiera, Edge Computing, ...

La Fig.3 rappresenta la previsione della spesa delle reti private in tutto il mondo pari a 7,7 miliardi di dollari nel 2027, suddivisa per CapEx ed OpEx.

Figura 3: Spesa delle reti private LTE/5G per tipo, in tutto il mondo, 2019-2026 [2]

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Secondo queste ricerche, le reti private avranno la forza di cambiare il paradigma della connettività nelle aziende e gli operatori avranno davanti a loro opportunità di business che andranno oltre la pura connettività, fornendo servizi e soluzioni applicative che genereranno valore aggiunto. Ad esempio, la fornitura dedicata della rete e dello spettro diventa un punto di ingresso per la vendita di soluzioni come l’edge computing mobile, i servizi cloud, i servizi professionali e l’analisi dei dati. Molte organizzazioni, di diverse tipologie, stanno combinando i sistemi di connettività con sistemi di Big Data e Analytics per trasformare il loro modo di fare Operation, aumentare l’automazione e l’efficienza o fornire nuovi servizi ai propri utenti. La connettività wireless su rete 5G consente di effettuare queste trasformazioni anche in ambienti dinamici, remoti o con stringenti requisiti di sicurezza, offrendo al contempo i vantaggi di scala di una tecnologia già implementata in tutto il mondo. Infine, non è da trascurare la trasformazione digitale di grande interesse per quelle aziende che attualmente gestiscono reti private LMR/PMR basate su tecnologie “legacy” come TETRA, P25 e DMR. Questi clienti richiedono servizi critici a banda larga che non sono disponibili su tecnologie alternative e, di conseguenza, le reti mobili private basate su 5G hanno il potenziale per sostituire ed innovare gran parte di questo mercato.

Alcune delle Reti Private Mobili realizzate da TIM

Di seguito i principali progetti di reti private mobili che TIM ha realizzato.

La MPN 5G per la Smart Factory di Exor
Exor International, leader mondiale nello sviluppo di SOM (Systems on Module) e HMI, è la prima fabbrica italiana connessa in 5G grazie alla rete privata realizzata da TIM in collabor azione con In tel [5]. La fabbrica tradizionale si evolve in fabbrica connessa (Smart Factory), dove gli elementi caratterizzanti – macchinari, impianti e strutture – sono interconnessi e comunicanti e dove l’operatività è intelligente grazie alle informazioni che, scorrendo real-time nella rete privata 5G, diventano protagoniste. L’intreccio di automazione, interazione e connessione realizza di fatto una fabbrica intelligente. La soluzione implementata in Exor è una private network “5G On-Premise”, che include una componente di core network completa (“Core-in-a-Box”) e una componente di accesso radio in architettura NSA (Non Stand Alone), dispiegati presso la sede del cliente. La soluzione è completata da dispositivi utente 5G (smartphone, CPE), tramite i quali è possibile sfruttare la latenza estremamente bassa e l’implicita sicurezza dell’ambiente privato. La rete privata 5G utilizza infatti un PLMNID dedicato e separato dal PLMN-ID della rete pubblica, garantendo la segregazione e la sicurezza del traffico di rete privata, che resta confinato alla sede del cliente: il traffico utente (user plane) è cifrato e sicuro dato che è totalmente confinato all’interno della rete aziendale (i dispositivi 5G si interfacciano esclusivamente con il Data Center in sede cliente). Soltanto il traffico di management plane è gestito dai sistemi TIM, allo scopo di garantire il monitoring remoto e costante di KPI ed allarmi della rete privata (Fig.4). Grazie a queste caratteristiche è possibile interconnettere le diverse macchine industriali garantendo una maggiore efficienza, affidabilità e sicurezza, migliorando in modo significativo il ciclo produttivo. Una rete privata e dedicata 5G garantisce infatti le migliori performance dal punto di vista del throughput, della latenza e sicurezza del dato.

Figura 4: Architettura semplificata della rete privata 5G

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La rete privata 5G è stata realizzata su frequenze sub 6GHz e mmWave. In particolare, sono state usate le frequenze a 1800 MHz e 2600 MHz per la componente di rete LTE e 3.7 GHz e 26 GHz per la componente di rete 5G. Nello specifico, le attività di laboratorio all’interno della Smart Factory consentono di sperimentare l’efficacia del 5G nel favorire la comunicazione di robot industriali connessi e il dispiegamento di soluzioni industriali edge-IoT che spostano l’elaborazione presso la linea produttiva del cliente. Tra le prime applicazioni delle tecnologie 5G e di intelligenza artificiali rese disponibili da TIM e da Intel, è prevista l’implementazione di un progetto pilota per la realizzazione di una macchina di ispezione visiva della qualità. La macchina rileva automaticamente la presenza di imperfezioni con tempi near-real-time. Oltre a identificare i difetti, la soluzione è anche in grado di classificarli prima di inviare le informazioni agli operatori in fabbrica per una loro valutazione. Sarà possibile intervenire in tempo reale sui macchinari della linea di produzione per osservarne il funzionamento e per fare “Predictive Maintenance”, in modo da prevenire eventuali guasti e fermi macchina. La smart factory di Exor, avvalendosi della tecnologia 5G, mira ad aumentare la produttività e l’efficienza, eliminando i cavi all’interno delle linee di produzione e mantenendo l’affidabilità e la rapidità di trasmissione all’interno di un mercato che richiede sempre più risposte nel minor tempo possibile. Il 5G può offrire molteplici vantaggi ad un impianto di produzione come quello sperimentato in Exor, tra i quali:

Automazione dei sistemi: alla base dell’Industry 4.0 vi sono i processi automatizzati e la digitalizzazione, fattori che contribuiranno ad ottimizzare la produzione industriale. Come mostrano alcuni degli scenari evidenziati sopra, il 5G fornisce l’affidabilità e la capacità trasmissiva necessarie per garantire che i sistemi industriali lavorino con la massima precisione e automazione;
Crescita dei ricavi: il 5G fornirà alle aziende un percorso più agile per automatizzare i processi di produzione industriali: questo porterà ad una maggiore produttività e a una crescita dei ricavi;
Nuovi business case: l’introduzione del 5G nella Smart Factory fornisce una base tecnologica importante per gli sviluppatori di software e hardware e per costruire nuovi casi d’uso, che vanno dalla robotica fino all’edge computing o all’automazione. Gli use case di successo porteranno ad un aumento della produttività e abiliteranno nuove opportunità di generazione di ricavi.

La MPN 5G per l’Industry 4.0 di Bi-Rex
Bi-Rex è uno degli 8 Competence Center nazionali istituiti dal Ministero dello Sviluppo Economico nel quadro del piano governativo Industria 4.0, con focus specializzato sul tema Big Data. Nell’ambito di un accordo di partenariato [6], TIM ha messo a disposizione una rete dedicata 5G Non Stand Alone con accesso radio alle frequenze mmWave (26 GHz), dispiegata presso la sede del Competence Center. Passare dalla meccanizzazione all’Industria 4.0 - Smart Manufacturing – significa che tutta la produzione e non solo l’operatività diventa intelligente: la fabbrica, i prodotti, i dipendenti, i collaboratori, i partner e i clienti. Smart Manufacturing significa ottimizzare tutte le fasi della catena produttiva, grazie alla condivisione delle informazioni provenienti da ogni divisione aziendale: Operatività, Controllo e Governance. Come nel caso Exor, il traffico della rete privata realizzata si chiude sul Data Center del cliente, garantendo la sicurezza del dato e le migliori performance di throughput e latenza erogate dalla rete privata 5G. Ciò consente di abilitare lo sviluppo di applicativi in ambito Industry 4.0 da integrare nella linea pilota di Bi-R ex (Fig.5).

Figura 5: Linea pilota Bi-Rex [6]

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La linea pilota di Bi-Rex è un sistema produttivo completo a disposizione delle aziende su cui è possibile implementare e ottimizzare l’adozione di tecnologie abilitanti dell’Industria 4.0 per l’innovazione, attività di “test before invest” e formazione. La linea pilota è un esempio di fabbrica digitale del futuro, che sfrutta la connettività 5G per:

Anticipare i processi di trasformazione digitale;
Supportare l’innovazione tecnologica delle imprese;
Aumentare il valore aggiunto dei prodotti aziendale.

La rete privata 5G TIM rappresenta l’abilitatore tecnologico per sfruttare le opportunità commerciali in ambito Industry 4.0, sperimentando use case e progetti ad hoc nell’ambito dello Smart Manufacturing. In particolare, la collaborazione fra TIM e Bi- Rex prevede lo sviluppo di use case quali:

Quality control con robot mobile che raccoglie dati dal plant inviandoli al Data Center;
Applicazioni Push-to-Talk per servizi di sicurezza sul lavoro (man down);
Applicativi di realtà aumentata e virtuale per sfruttare le potenzialità di “edge computing” messe a disposizione dalla rete privata.

La Rete Privata 5G per la Carpenteria Meccanica di Ilmea
Ilmea, una azienda del Salento particolarmente attenta all’innovazione, produce carpenteria meccanica pesante e leggera e ha deciso di puntare sulla rete privata del 5G per fare un salto decisivo verso il paradigma “Industria 4.0”. L’obiettivo principale è quello di raggiungere gli alti standard di ottimizzazione dei processi e di monitoraggio dei sistemi industriali interni.
La Private Network 5G di TIM è risultata la migliore soluzione per abilitare l’interconnessione delle macchine e la produzione di dati funzionale agli obiettivi di business, basandosi sui molteplici punti di forza della rete privata 5G: un perimetro privato in alta sicurezza grazie all’utilizzo di frequenze radio licenziate, alta velocità, bassa latenza e la possibilità di non prevedere cablaggio. In particolare, quest’ultimo aspetto permette il cambio di linee di produzione con cablaggi tradizionali che comporta un notevole abbassamento dei tempi di fermo; si passa infatti dai trenta giorni del passato alle poche ore di fermo attuali. L’adozione della rete privata avrà una estensione molto ampia sulle attività di Ilmea ed impatterà molteplici processi come: le operazioni di gestione e monitoraggio della produzione, il monitoraggio delle prestazioni delle macchine, la manutenzione condizionale e predittiva, l’analisi statistica della qualità e la visualizzazione degli allarmi ed il loro invio tramite mail o messaggi istantanei. Non ultimo, la possibilità di essere connesso con un mondo dinamico e che possa rispondere alle esigenze dell’attuale mercato con tempi di risposta immediati. Da un punto di vista implementativo, TIM ha installato presso la sede cliente una Rete di Accesso Radio indoor in tecnologia 5G NSA su frequenze licenziate e PLMNID dedicato e separato dalla rete pubblica, connessa ad una Core Network locale dedicata al cliente. La rete privata TIM è connessa direttamente all’Application Server locale del cliente dove sono dispiegate le applicazioni di gestione e monitoraggio della produzione.

Conclusioni

I trend positivi degli analisti relativi al mercato delle Reti Private Mobili trovano al momento un evidente riscontro nelle numerose richieste, da parte sia di grandi aziende, sia di PMI, per la realizzazione di attività di sperimentazione e di realizzazione di reti private 5G come abilitatori di trasformazioni digitali, che rendono le aziende “Smart” attraverso una gestione e un controllo dei processi, dei macchinari e delle persone completamente automatizzato e real-time. Occorre avere soluzioni ad architetture diversificate che riescano ad ottimizzare le risposte tecnologiche ai requisiti specifici che ogni azienda richiede. Questo grado di flessibilità permette di coprire numerosi scenari di business e di use case. Le reti private 5G sono un primo tassello verso la connettività evoluta; sono già disponibili altre tecnologie innovative di rete, come ad esempio l’Edge Computing, che in sinergia con le reti private possono spingere i limiti delle prestazioni e della sicurezza dei dati ancora più là, ampliando e perfezionando tutti gli scenari realizzativi.

Bibliografia/Urlografia

GSMA, “5G IoT Private & Dedicated Networks for Industry 4.0”, https://www.gsma.com/iot/wp-content/uploads/2020/10/2020-10-GSMA-5G-IoT-Private-and-Dedicated-Networks-for-Industry-4.0.pdf, ottobre 2020
Analysys Mason. “Private LTE/5G networks: worldwide trends and forecasts”, https://www.analysysmason.com/research/content/regional-forecasts-/private-5g-networks-forecast-rma17/, Settembre 2022
IDC, “Worldwide Private LTE/5G Wireless Infrastructure Market Set to Reach $8.3 Billion by 2026”, https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS48948422, 14 marzo 2022
TIM, “TIM with EXOR International for the first 5g-connected factory”, https://www.gruppotim.it/en/press-archive/market/2021/PR-TIM-EXOR-Intel-25062021-EN.html
TIM/Bi-Rex, “TIM E BI-REX INAUGURANO LA RETE 5G PER L'INDUSTRIA 4.0”, https://bi-rex.it/wp-content/uploads/2022/01/Comunicato-Stampa-TIM-BI-REX_DEF.pdf
TIM, “TIM, Ilmea è tra le prime aziende a dotarsi di una rete privata 5G”, https://www.affaritaliani.it/economia/notizie-aziende/tim-la-prima-azienda-a-dotarsi-di-una-rete-privata-5g-e-nel-salento-835473.html#:~:text=Ilmea%2C%20storica%20azienda%20metalmeccanica%20del,servizio%20della%20competitivit%C3%A0%20delle%20imprese
Ericsson, “Connected Ports – A guide to making ports smarter with private cellular technology”, https://www.ericsson.com/en/enterprise/forms/connected-ports, February 2021
Ericsson, TIM, Authority Port of Livorno, CNIT, EU Commission, “5G Port of the Future”, https://www.ericsson.com/4acfd1/assets/local/cases/customer-cases/2019/5g-port-of-the-future-2019.pdf
Ericsson, “Uno sguardo ai gemelli digitali nelle operazioni portuali”, https://www.ericsson.com/it/blog/2020/12/digital-twinsport-operations, Marzo 2021
Guardia Costiera, Al Comando generale il 1° incontro per lo sviluppo del progetto “5G Maritime Autonomous Surface Ships”, Giugno 2022, https://www.guardiacostiera.gov.it/stampa/Pages/Maritime-Autonomous-Surface-Ships.aspx
CNIT, JointLab Seaports – Activity https://jlab-ports.cnit.it/activity/
Analysys Mason. “Private LTE/5G networks: worldwide trends and forecasts”, https://www.analysysmason.com/research/content/regional-forecasts-/private-5g-networks-forecast-rma17/, Settembre 2022
Reports GSA | TelecomTV, “Private mobile deployments near 1,000 mark”, https://www.telecomtv.com/content/privatenetworks/private-mobile-deployments-near-1-000-mark-reports-gsa-46219/, Dicembre 2022
GSA, Private-Mobile-Networks December-2022 Summary, https://gsacom.com/paper/private-mobile-networks-december-2022-summary-report/, Dicembre 2022

Acronimi

CaPex Capital Expenditures

CPE Customer Premises Equipment

DC Data Center

DMR Digital Mobile Radio

HMI Human-Machine Interface

HQ Head Quarter

IDC International Data Corporation

IoT Internet of Things

LAN Local Area Network

LMR Land Mobile Radio

MPN Mobile Private Network

NSA Non-Standalone

OpEx Operational Expenditures

P25 Project 25

PA Pubblica Amministrazione

PLMN Public Land Mobile Network

PMR Private Mobile Radio

RAN Radio Access Network

SLA Service Level Agreement

SOM Systems on Module)

TETRA TErrestrial Trunked Radio

WAN Wide Area Network