FUB_B5G: la piattaforma sperimentale per la ricerca sulle reti di nuova generazione

di Francesco Matera, Ricercatore FUB della Direzione Ricerca, Innovazione e Strategie

Questo approfondimento presenta la rete sperimentale 5G realizzata dalla Fondazione Ugo Bordoni nell’ambito delle attività svolte nei progetti RESTART a cui ha preso parte la FUB negli ultimi anni. In particolare, la rete è stata utilizzata a supporto dei progetti ITA-NTN focalizzato sull’integrazione tra reti terrestri (TN) e non terrestri (NTN), 6GWINET dedicato alle comunicazioni wireless sulle bande a onde millimetriche e NETWIN rivolto alle reti intelligenti.

 

L’architettura della rete sperimentale si basa su una piattaforma hardware avanzata, che include schede Software Defined Radio (SDR) di tipo ETTUS, workstation in grado di realizzare ambienti di rete dall’accesso radio al core 5G e server a elevate prestazioni da utilizzare per l’emulazione di altri domini di rete e per analisi dei dati tramite algoritmi di Artificial Intelligence (AI). Il setup è completato da un sistema di monitoraggio dei campi elettromagnetici per rilievi su segnali 4G/5G, operativo sia in scenari indoor che in contesti outdoor.

 

Le reti 5G come ambiente per la sperimentazione e la ricerca

Lo studio delle reti di telecomunicazioni trae da sempre grande valore scientifico dalla sperimentazione su infrastrutture reali. In passato, tuttavia, la disponibilità anche di un singolo dominio operativo rappresentava spesso un limite significativo, poiché i costi di realizzazione erano estremamente elevati. L’hardware necessario, come router o switch, doveva infatti appartenere a fasce alte e basarsi su dispositivi dotati di funzionalità fortemente specializzate, rendendo complessa e costosa la realizzazione di ambienti sperimentali completi. Tra i principali elementi di discontinuità introdotti dalle reti 5G vi è la profonda trasformazione dell’architettura delle funzioni di rete. In queste reti solo la trasmissione e la ricezione dei segnali richiedono componenti hardware specifici (radio o ottici), mentre l’elaborazione e l’instradamento dei dati possono essere implementati tramite funzioni virtualizzate eseguite su piattaforme hardware general purpose, come PC o server. Una rete 5G completa può quindi essere realizzata tramite un’infrastruttura composta da workstation e server sui quali operano software che permettono di emulare tutte le principali funzioni di rete, dall’accesso fino al core 5G.  L’unico elemento fisico imprescindibile rimane lo strato di accesso, per il quale sono comunque necessari dispositivi reali che siano in grado di trasmettere e ricevere segnali sotto forma di radiazione elettromagnetica.

 

Per questo motivo, accanto alla piattaforma costituita da workstation e server, per realizzare una rete 5G occorre avere dei dispositivi radio programmabili come le Software Defined Radio (SDR), che possono essere configurate sia come terminali utente (User Equipment – UE) sia come stazioni radio base (gNB nel caso di reti 5G). Le caratteristiche della rete, pur dipendendo dagli elementi utilizzati, consentono di implementare le funzionalità tipiche di una rete di quinta generazione. Questo cambio di paradigma ha favorito negli ultimi anni la proliferazione di laboratori di ricerca 5G, basati sull’impiego di piattaforme SDR e su architetture di rete virtualizzate.

 

È evidente che permanga una differenza di scala rispetto alle reti commerciali.  In una rete 5G operativa, un gNB può gestire numerosi elementi radianti con flussi complessivi di dati fino a decine di Gb/s, mentre a livello di core, nei collegamenti in fibra ottica possono transitare flussi fino a decine di Tb/s. Invece, in un tipico ambiente di laboratorio, un gNB può essere composto da qualche elemento radiante con un flusso dati fino a 10 Gb/s con un numero limitato di antenne. Nonostante tali differenze di scala, anche in un simile ambiente sperimentale, si possono implementare e analizzare tutte le principali funzionalità di una rete 5G definite nell’ambito dello standard 3GPP, dai protocolli di autentificazione ai complessi processi di instradamento del traffico.

 

La piattaforma FUB_B5G: architettura e componenti del laboratorio

Uno degli aspetti più importanti del programma RESTART è aver permesso, ai diversi progetti che lo componevano, di realizzare nuovi laboratori altamente innovativi.  Nello specifico, sono state realizzate diverse reti sperimentali 5G dedicate a specifici scenari verticali: dalle comunicazioni veicolari, alle reti Non Terrestri, dall’impiego delle frequenze a onde millimetriche a trasmissioni ottiche ad altissima capacità, fino all’uso di comunicazioni quantistiche.

 

La FUB ha sviluppato una sua rete 5G focalizzata sull’integrazione con le reti Non Terrestri e in particolare con il segmento satellitare. Tale iniziativa si è concretizzata nell’ambito del progetto ITA-NTN (SPOKE2), condotta in collaborazione con il Politecnico di Bari, che stava sviluppando un’infrastruttura sperimentale articolata comprensiva, oltre agli elementi tipici di una rete 5G, di una flotta di droni e un emulatore di canale satellitare.

 

A partire dall’analisi delle principali reti 5G sperimentali sviluppate nei centri di ricerca internazionali mediante piattaforme SDR, la FUB ha progettato e realizzato una rete completa, dall’accesso radio al core.

 

A complemento della piattaforma di rete, la FUB si è anche dotata di strumentazione avanzata per il monitoraggio e l’analisi dei campi elettromagnetici, oltre a server dedicati all’applicazione di tecniche di AI.

 

In particolare, la strumentazione dedicata alle tecniche di monitoraggio è stata acquisita nell’ambito del progetto 6GWINET con l’obiettivo di analizzare la propagazione elettromagnetica nelle diverse bande oggetto di studio in questo progetto. I server, destinati allo sviluppo e alla sperimentazione di metodologie di AI, sono stati acquistati nell’ambito del progetto NETWIN dedicato all’integrazione dell’AI nelle reti 5G e 6G.

 

L’architettura complessiva del laboratorio FUB_B5G è riportata nella Figura 1. È opportuno precisare che le attività di analisi dei campi elettromagnetici vengono svolte principalmente presso la sede FUB di Bologna, mentre la rete sperimentale 5G e le risorse dedicate all’Intelligenza Artificiale sono allocate presso la sede di Roma.

 

Figura 1: Schema del Lab FUB_B5G

 

 

La rete 5G presenta la seguente configurazione e relative componenti.

 

• Tre dispositivi SDR Ettus USRP B210 sono connessi ai corrispondenti piccoli PC (Next Unit of Computing, NUC) e possono funzionare sia come UE che come piccole stazioni base (gNB). Ciascuna NUC è collegata tramite interfaccia USB 3.0 a un dispositivo USRP B210 (Ettus Research). L’USRP B210 è una piattaforma SDR a scheda singola completamente integrata che offre una copertura di frequenza continua da 70 MHz a 6 GHz, ed è basata sul transceiver a conversione diretta Analog Devices AD9361. Supporta il funzionamento MIMO full-duplex con due canali di trasmissione e due canali di ricezione (2×2) e fornisce fino a 56 MHz di larghezza di banda RF verso l’host tramite un’interfaccia SuperSpeed ​​USB 3.0. Queste caratteristiche rendono la piattaforma B210 adatta sia alle forme d’onda LTE che 5G NR nelle gamme di frequenza considerate per questa infrastruttura.
• Una USRP X310, anche essa connessa a una NUC, permette di operare su una banda fino a 160 MHz e soprattutto di poter effettuare maggiori elaborazioni di segnali. Per tali caratteristiche risulta particolarmente adatta all’implementazione delle funzionalità di gNB.
• Una USRP X410, caratterizzata da prestazioni significativamente superiori, dispone di 4 canali RF (4×4), permettendo ad esempio un MIMO 4×4. Inoltre, permette la gestione dei canali con bande fino a 400 MHz, consentendo la gestione di flussi fino a 10 Gb/s. A causa dell’elevato volume di dati generato, per la X410 è consigliato il collegamento diretto ad un server (ThinkSystem SR665), come mostrato nella fig. 1, risultando intrinsecamente adatta alla realizzazione di un gNB ad alte prestazioni.
• Il server ThinkSystem SR665, dotato di elevate capacità computazionali e GPU dedicate, oltre a gestire ed elaborare i dati del gNB, può anche emulare domini di reti più complessi come segmenti di reti non terrestri ed elaborare dati con algoritmi di intelligenza artificiale.
• Un ambiente completo di rete core e accesso 5G, basato sui tool srsRAN e OpenAirInterface, utilizzati per l’implementazione e la sperimentazione delle principali funzionalità di rete.
• Un server Dell Power Edge R7525, connesso alla rete come mostrato in Figura 1, viene utilizzato come endpoint del traffico esterno e come nodo di elaborazione generico per gli esperimenti.

 

Il laboratorio è stato quindi progettato come un’infrastruttura modulare e scalabile, in grado di supportare scenari mono-cella e multi-cella, configurazioni multi-UE, esperimenti su diverse bande di frequenza, casi di studio sulla condivisione dinamica dello spettro e architetture O-RAN. Nello specifico, l’infrastruttura è stata utilizzata per analizzare diverse architetture 5G in grado di supportare scenari eterogenei con nodi radio distribuiti con elevata flessibilità nella configurazione del front-end radio, evidenziando come l’utilizzo di SDR USRP consenta una rapida riconfigurazione della rete. La rete è stata inoltre utilizzata per studiare l’implementazione di reti 5G adattabili a scenari TN-NTN, con focus specifico alla capacità di banda, alla latenza e alla gestione del carico computazionale. Altri studi hanno mostrato come le architetture Open RAN possano favorire l’integrazione di nodi non terrestri con la rete terrestre.

 

I risultati delle sperimentazioni sono dettagliati nei deliverable del progetto ITA-NTN trasmessi alla Fondazione RESTART.

 

Di particolare rilievo è stata la sperimentazione condotta tra la rete 5G FUB e la rete di quinta generazione del Politecnico di Bari, entrambe basate su schede SDR dello stesso tipo. Tale collaborazione ha permesso di implementare una rete nazionale 5G in cui un gNB della FUB è stato interconnesso alla CORE-gNB del Politecnico di Bari come mostrato nella Figura 2. Tale sperimentazione è stata presentata alla Plenaria del programma RESTART che si è svolta a gennaio 2026. Lo schema descritto rappresenta un esempio di laboratorio federato che potrebbe costituire un importante fattore abilitante per successive sperimentazioni e studi sia in ambito nazionale che internazionale.

 

Figura 2: Configurazione della rete nazionale 5G tra FUB e Politecnico di Bari

 

Il monitoraggio dei campi elettromagnetici per gli scenari 5G

Nell’ambito del progetto 6GWINET (SPOKE3), la FUB ha acquisito un analizzatore di spettro portatile Narda SRM-3006, per effettuare misure selettive di campo elettromagnetico. Contestualmente sono state acquisite una antenna omnidirezionale Narda 3502/02 in grado di effettuare misure nel range 200 MHz – 6 GHz e due antenne (Narda 3591/02 omnidirezionale e Narda 3591/01 direttiva) per effettuare misure di segnali 5G NR nel range 24.25 – 29.5 GHz.

 

Figura 3: Narda SRM 3006 con antenna 3502/02 (SX) e Antenna 3591/02 (DX)

 

L’acquisto di tale apparecchiatura è finalizzato alla caratterizzazione dell’impatto elettromagnetico, allo studio della copertura dei segnali 5G NR e della propagazione dei segnali radio in ambienti complessi come veicoli, carrozze di treni, scenari deep indoor e gallerie.

 

A seguito dell’acquisizione della strumentazione, sono stati condotti test su diverse bande di frequenza, in particolare sulle bande pioniere del 5G (700 MHz, 3.7 GHz e 26 GHz), analizzando diversi scenari caratterizzati da elevata complessità. Di notevole interesse sono state le misure effettuate all’interno di vetture (Figura 4), sia in condizioni non controllate – con segnali prodotti da stazioni base commerciali di cui non si conoscevano le caratteristiche tecniche – sia in condizioni controllate – con l’ausilio di un generatore di segnale per garantire la massima precisione su range frequenziale e potenza. I dati ottenuti dalle quattro campagne di misura hanno permesso di effettuare una valutazione rigorosa delle perdite di penetrazione all’interno delle auto.

 

Figura 4: Esecuzione di misure all’interno di una vettura

 

Sono state condotte anche analisi sulle principali variabili che influenzano il comportamento del segnale radio all’interno dei veicoli. I valori di CPL (Car Penetration Los) ottenuti dalle campagne di misura sono stati utilizzati per sviluppare un modello semplificato di link budget specificamente progettato per studi di fattibilità di rete, analisi di copertura e calcoli di throughput in scenari mobili complessi. Queste attività sono risultate di significativo interesse per il progetto 6GWINET che presenta un focus anche sulle reti veicolari – già oggetto di apposito approfondimento sul sito FUB – e sono riportati in diversi articoli scientifici peer reviewed presenti nella lista delle pubblicazioni FUB.

 

Risorse di calcolo e sperimentazione AI per le reti intelligenti

Il progetto RESTART NETWIN (SPOKE 8) si occupa dello studio delle metodologie che permettono di implementare reti di telecomunicazione intelligenti e zero-touch. L’obiettivo è quello di abilitare sistemi in grado di auto-configurarsi e gestire le risorse in maniera del tutto automatica, adattandosi dinamicamente alle variazioni operative della rete. Inoltre, il progetto studia anche come le architetture di rete possano essere di aiuto nel gestire i processi di AI, in particolare in domini distribuiti.

 

La FUB ha partecipato a questo progetto sia con proposte di architetture innovative partendo dalle attuali raccomandazioni 3GPP, O-ORAN, ETSI e ONAP, sia, soprattutto, effettuando studi e proponendo algoritmi AI per la gestione delle comunicazioni radio nei veicoli in movimento, basandosi sul  framework SIONNA per la simulazione della propagazione radio e SUMO per il traffico veicolare. Per supportare queste attività la FUB ha acquistato e utilizzato due server ad alta potenza, Fujistu PRIMERGYRX2450M1 e DELLPowerEdgeR7525. Come già accennato in precedenza, anche quest’ultimo server è connesso alla rete 5G.

 

Tale infrastruttura di calcolo ad alte prestazioni ha costituito, nell’ambito del progetto NETWIN, la piattaforma per lo sviluppo e l’addestramento di tool di AI applicati alla gestione delle risorse radio in scenari di comunicazione veicolare 5G/NR-V2X (Vehicle to X) multi-hop dinamici. In questo contesto sono stati sviluppati degli approcci neurali particolarmente adatti alla modellazione delle reti radio rappresentate come grafi dove i nodi rappresentano gli elementi di trasmissione e instradamento e gli archi i canali di trasmissione.

 

Nel complesso, l’infrastruttura server della FUB, oltre a svolgere una funzione di supporto computazionale, rappresenta un elemento abilitante per lo sviluppo di architetture di rete AI-native, permettendo simulazioni su larga scala e sperimentazioni complesse con la rete 5G del laboratorio.

 

In particolare, il server ThinkSystem SR665, dotato di GPU e integrato con la radio Software-Defined USRP X410, consente, in prospettiva, di eseguire processi di inferenza AI in prossimità del nodo gNB, aprendo la strada alla sperimentazione di architetture edge AI per ambienti O-RAN e alla futura chiusura del ciclo radio-AI-radio in condizioni operative reali.

 

Il ruolo di FUB_B5G nella sperimentazione delle reti di nuova generazione

Il laboratorio FUB_B5G fa parte della nuova struttura dell’Ente denominata Innovation Hub e rappresenta il punto di convergenza delle attività sviluppate dalla Fondazione Ugo Bordoni nell’ambito dei progetti RESTART dedicati alle reti mobili di nuova generazione. La piattaforma integra una rete 5G completa, strumenti per il monitoraggio dei campi elettromagnetici e risorse di calcolo per l’applicazione di tecniche di intelligenza artificiale, consentendo di affrontare in modo interconnesso temi come l’integrazione tra reti terrestri e non terrestri, l’evoluzione delle architetture radio, la gestione dello spettro, la sicurezza delle infrastrutture digitali dall’accesso radio fino ai domini cloud e l’automazione delle reti.

 

Le attività svolte hanno mostrato come la disponibilità di ambienti sperimentali aperti e riconfigurabili costituisca un elemento essenziale per valutare nuove soluzioni tecnologiche in condizioni realistiche e favorire la collaborazione tra diversi centri di ricerca nazionali e potenzialmente internazionali. In questa prospettiva, la sperimentazione realizzata con il Politecnico di Bari rappresenta un primo esempio di federazione tra laboratori, modello destinato ad assumere crescente rilevanza anche nello sviluppo delle future infrastrutture 6G.

 

Attraverso FUB_B5G, la Fondazione dispone di uno strumento operativo per supportare attività di ricerca, sperimentazione e analisi tecnica sui principali temi che caratterizzeranno l’evoluzione delle telecomunicazioni nei prossimi anni, contribuendo alla produzione di evidenze scientifiche utili allo sviluppo delle reti e dei servizi di nuova generazione. In questa prospettiva, il laboratorio può costituire anche uno strumento a supporto delle istituzioni e della Pubblica Amministrazione, mettendo a disposizione capacità di sperimentazione e valutazione tecnica utili ad accompagnare le future scelte regolamentari e le politiche di sviluppo del 6G.

 

***

 

Il laboratorio FUB_B5G descritto in questo approfondimento è il risultato del contributo di numerosi ricercatori della Fondazione Ugo Bordoni. Un particolare riconoscimento va a Pierpaolo Salvo, che ha coordinato le attività relative alla realizzazione della rete 5G, dallo studio di fattibilità alle fasi di sperimentazione e test, nonché ad Alessio Carmenini, Eleonora Di Fina, Andrea Garzia, Emiliano Pallotti, Marina Settembre e Simona Valbonesi per il loro contributo alle attività progettuali e di sviluppo.