Advances in Telecommunication Networks

Obiettivi

Il corso si propone di fornire agli studenti conoscenze avanzate sull’evoluzione architetturale e tecnologica delle moderne reti di comunicazione, mettendo in evidenza il passaggio dalle infrastrutture tradizionali verticalmente integrate verso architetture basate sul software, programmabili, virtualizzate, cloud-native, orchestrate, disaggregate e aperte. A partire dai limiti dei modelli di rete convenzionali, vengono introdotti i principi del Software-Defined Networking (SDN) e della programmabilità del control plane e del data plane, con riferimento alle interfacce di rete, alla telemetria e alle principali applicazioni di controllo. Il corso affronta quindi la Network Function Virtualization (NFV), le infrastrutture Telco Cloud ed Edge Cloud, le Cloud-Native Network Functions e i meccanismi di gestione e orchestrazione delle funzioni e dei servizi di rete. Una parte specifica è dedicata alle architetture dei sistemi 5G, includendo la NG-RAN, la decomposizione funzionale del gNB, il 5G Core e i principali meccanismi di registrazione, gestione delle sessioni, Quality of Service e Network Slicing. La parte finale approfondisce l’Open Radio Access Network (O-RAN), l’Open Fronthaul, lo SMO, i RAN Intelligent Controllers, le interfacce A1 ed E2 e il ruolo di xApps, rApps e dApps nel controllo programmabile della RAN. Le lezioni teoriche sono integrate da esercitazioni e attività di laboratorio, svolte individualmente o in gruppo, finalizzate ad applicare i concetti introdotti, utilizzare moderne piattaforme e strumenti di networking e sviluppare capacità di analisi, confronto tecnico, problem solving e collaborazione. L’impostazione complessiva consente inoltre agli studenti di mettere in relazione i diversi livelli dell’architettura di rete, dal piano dati e dal controllo programmabile alle funzioni virtualizzate, all’orchestrazione e al controllo intelligente della RAN, così da acquisire una visione integrata dei meccanismi che caratterizzano le infrastrutture di telecomunicazione di nuova generazione.

Conoscenza e comprensione
Al termine del corso, lo studente comprenderà principi, componenti e relazioni delle architetture di rete
programmabili, virtualizzate, cloud-native, 5G e O-RAN, inclusi SDN, NFV, orchestrazione, disaggregazione della RAN, Open Fronthaul e RAN Intelligent Controllers, cogliendone il ruolo nell’evoluzione delle reti moderne. Capacità di applicare conoscenza e comprensione / Applying knowledge and understanding Al termine del corso, lo studente sarà in grado di applicare i concetti trattati alla configurazione, all’analisi e alla valutazione di ambienti di rete programmabili, virtualizzati e cloud-native. Le attività di laboratorio consentiranno di
utilizzare strumenti e piattaforme moderne e di analizzare architetture software-defined, mobili e aperte. 

Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di valutare criticamente soluzioni architetturali alternative considerando programmabilità, flessibilità, scalabilità, latenza, interoperabilità, utilizzo delle risorse, resilienza e complessità di gestione. Tale capacità sarà sviluppata anche attraverso analisi comparative ed esercitazioni pratiche.

Abilità comunicative 
Lo studente sarà in grado di discutere le tecnologie delle reti di comunicazione avanzate con terminologia tecnica appropriata, descrivendo e confrontando architetture, protocolli e interfacce. Saprà inoltre comunicare in modo efficace i risultati di analisi tecniche e delle attività pratiche svolte individualmente o in gruppo.

Capacità di apprendimento
Lo studente svilupperà la capacità di approfondire autonomamente tecnologie emergenti per le reti di comunicazione e di comprendere documentazione tecnica e scientifica, standard, specifiche e letteratura di ricerca relativa ad architetture programmabili, virtualizzate, cloud-native, mobili, disaggregate e aperte.

L’insegnamento prevede 28 ore di didattica frontale, pari a 4 CFU, e 30 ore di esercitazioni e laboratorio, pari a 2 CFU. Le lezioni frontali introducono i principi architetturali e tecnologici di SDN, NFV, cloud-native networking, orchestrazione, sistemi 5G e O-RAN. Le attività pratiche sono finalizzate a mettere in pratica i concetti teorici, familiarizzare con moderne piattaforme e strumenti software per le reti di comunicazione e sviluppare capacità di analisi e valutazione di ambienti programmabili, virtualizzati, mobili e aperti. Le esperienze possono essere svolte individualmente o in gruppo e contribuiscono allo sviluppo delle competenze applicative e trasversali previste dai risultati di apprendimento. Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

• reti mobili 3G e 4G

• conoscenza di base dei sistemi operativi Linux

Il corso non prevede obbligo di frequenza. La frequenza delle lezioni è comunque fortemente consigliata, in particolare per le attività pratiche e di laboratorio, considerata la natura sperimentale di diversi argomenti trattati durante il corso.

Parte 1: Software-Defined Networking e programmabilità di rete (10 ore)

[Didattica frontale: 7 ore – Esercitazioni e laboratorio: 3 ore]

• Software-Defined Networking: limiti delle architetture di rete tradizionali; separazione tra piano di controllo e piano

dati; principi del Software-Defined Networking; controllo di rete logicamente centralizzato; architettura del

controller SDN; interfacce northbound e southbound; principi di OpenFlow; flow table; regole match-action.

• Programmabilità di rete: piano di controllo programmabile e piano dati programmabile; differenze tra

programmabilità del control plane e programmabilità del data plane; API di rete; network telemetry; principi

dell’elaborazione programmabile dei pacchetti.

• Applicazioni SDN: traffic engineering; routing programmabile; load balancing; applicazione delle policy;

monitoraggio di rete; rilevamento dei guasti e recovery; vantaggi e limitazioni del Software-Defined Networking.

Parte 2: Network Function Virtualization e Cloud-Native Networking (10 ore)

[Didattica frontale: 7 ore – Esercitazioni e laboratorio: 3 ore]

• Network Function Virtualization: evoluzione dalle appliance di rete basate su hardware alle funzioni di rete

software; Physical Network Functions; Virtual Network Functions; NFV Infrastructure; principi architetturali ETSI

NFV; virtualizzazione delle risorse di calcolo, storage e rete; vantaggi e limitazioni della NFV; Cloud-Native

Network Functions.

• Telco Cloud ed Edge Cloud: infrastrutture cloud centralizzate e distribuite; Edge Computing; architetture Telco

Cloud; posizionamento delle funzioni di rete; requisiti dei workload di telecomunicazione; vincoli real-time.

Parte 3: Orchestrazione di rete e dei servizi (9 ore)

[Didattica frontale: 6 ore – Esercitazioni e laboratorio: 3 ore]

• NFV Management and Orchestration: architettura ETSI NFV-MANO; NFV Orchestrator; VNF Manager;

Virtualized Infrastructure Manager; gestione del ciclo di vita delle Virtual Network Functions e dei Network

Services; service chaining; orchestrazione cloud-native delle funzioni e dei servizi di rete.

Parte 4: Architettura dei sistemi 5G (10 ore)

[Didattica frontale: 7 ore – Esercitazioni e laboratorio: 3 ore]• Architettura della Radio Access Network 5G: architettura NG-RAN; architettura del gNB; Centralized Unit,

Distributed Unit e Radio Unit; separazione tra CU Control Plane e CU User Plane; opzioni di deployment

centralizzato e distribuito; principi della decomposizione funzionale della RAN; introduzione ai functional split;

principali interfacce della Radio Access Network 5G.

• 5G Core Network: evoluzione dall’Evolved Packet Core al 5G Core; Service-Based Architecture; Access and

Mobility Management Function; Session Management Function; User Plane Function; Authentication Server

Function; Unified Data Management; Policy Control Function; Network Repository Function; separazione tra

piano di controllo e piano utente; registrazione dell’utente; PDU session; Quality of Service; Network Slicing.

Parte 5: Architettura e controllo O-RAN (19 ore)

[Didattica frontale: 10 ore – Esercitazioni e laboratorio: 9 ore]

• Architettura O-RAN: evoluzione dalle Radio Access Network tradizionali e virtualizzate verso Open RAN; principi

di apertura e interoperabilità; O-RAN Alliance; architettura del sistema O-RAN; O-RU; O-DU; O-CU-CP; O-CU-

UP; relazione tra i componenti architetturali 3GPP e O-RAN; functional Split 7.2x; Open Fronthaul; eCPRI;

requisiti di capacità e latenza del fronthaul; requisiti di sincronizzazione; Precision Time Protocol; SyncE;

interoperabilità multi-vendor.

• Service Management and Orchestration in O-RAN: architettura O-RAN Service Management and Orchestration;

ruolo dello SMO; interfaccia O1; interfaccia O2; gestione e ciclo di vita delle funzioni di rete O-RAN; gestione

delle infrastrutture cloud; relazione tra O-RAN SMO, orchestrazione cloud-native ed ETSI NFV-MANO.

• RAN Intelligent Controllers: architettura e ruolo del Non-Real-Time RIC e del Near-Real-Time RIC; scale

temporali di controllo; interfaccia A1; interfaccia E2; E2 node; E2 Service Models; telemetry; meccanismi di

subscription, indication e control.

• xApps, rApps e dApps: architettura e ciclo di vita; applicazioni programmabili per il monitoraggio e il controllo

della RAN; policy; interazione con le piattaforme RIC; controllo closed-loop della RAN; misura, decisione, azione

e feedback; esempi di casi d’uso, tra cui traffic steering, mobility management, interference coordination ed

energy saving; coordinamento e potenziali conflitti tra applicazioni di controllo.

Contributo dell’insegnamento agli obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile

Gli argomenti affrontati nel corso contribuiscono principalmente all’Obiettivo 9 – Imprese, innovazione e

infrastrutture dell’Agenda 2030 delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Sostenibile, attraverso lo studio di infrastrutture di

rete avanzate, programmabili, virtualizzate, cloud-native e aperte. Lo studio di architetture di rete efficienti

nell’utilizzo delle risorse e attente al consumo energetico contribuisce inoltre allo sviluppo di infrastrutture digitali più

sostenibili.

[1] Slides fornite dal Professore
[2] Documentazione tecnica relativa a standard rilevanti al corso

L’esame consiste in una prova unica orale finalizzata a verificare la conoscenza e la comprensione degli argomenti

trattati durante il corso. Le domande riguarderanno i principali principi architetturali e le tecnologie introdotte e

potranno richiedere allo studente di confrontare differenti soluzioni architetturali, spiegare il funzionamento di

protocolli e interfacce e stabilire collegamenti tra i diversi argomenti del programma. Le conoscenze e le

competenze acquisite attraverso le attività pratiche e di laboratorio potranno essere valutate durante l’esame.

La valutazione terrà conto dei seguenti elementi:

• pertinenza e correttezza delle risposte rispetto alle domande formulate

• qualità e completezza dei contenuti tecnici

• capacità di stabilire collegamenti con altri argomenti trattati nel corso

• capacità di fornire esempi pertinenti

• uso appropriato della terminologia tecnica

• capacità espositiva e comunicativa complessiva

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero

richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio

personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didatticied alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva

e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento

(https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

• Descrivere la separazione tra control plane e data plane in una Software-Defined Network e spiegare il ruolo di

un controller SDN.

• Descrivere l’architettura ETSI NFV-MANO e i ruoli di NFVO, VNFM e VIM.

• Spiegare le differenze tra resource orchestration, service orchestration e network orchestration.

• Descrivere l’architettura del 5G Core Network e spiegare i ruoli di AMF, SMF e UPF.

• Descrivere la decomposizione funzionale della Radio Access Network 5G.

• Descrivere l’architettura O-RAN e i ruoli di O-RU, O-DU e O-CU.

• Spiegare il ruolo del framework O-RAN Service Management and Orchestration.

• Confrontare il Near-Real-Time RIC e il Non-Real-Time RIC.

• Spiegare lo scopo delle interfacce A1 ed E2.

• Descrivere il ruolo di xApps e rApps in un’architettura O-RAN.

• Discutere i principali requisiti tecnici e le criticità dell’O-RAN Open Fronthaul.