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Le nuova tecnologia del 5G porta con se la promessa di poter aprire la strada ad applicazioni real-time, sempre più richieste dal mondo IoT (Internet of Things) e non solo (es. veicoli autonomi, smart grid, ma anche telecamere che trasferiscono il flusso video in tempo reale). Il 5G ha dato anche l’avvio ad un cambio strutturale: la possibilità di avere dei servizi installati sul MEC (Multi-Access Edge Computing) dove la computazione è vicina ai device ed i pacchetti non sfociano su internet. Tutto questo, però, apre la strada a molte domande.

Le principali sfide sono legate alla comprensione delle prestazioni di comunicazione delle reti 5G attraverso diversi scenari, tenendo conto sia dei servizi in MEC che in Cloud, e verificare se i risultati ottenuti possono supportare e abilitare applicazioni real-time. Un'altra sfida è capire quali sono le combinazioni di protocollo di comunicazione, payload e message rate che offrono le prestazioni migliori e quali di queste possono garantire latenze sotto un certo limite e in determinate condizioni.

Siamo partiti con l’analisi dello stato dell'arte delle tecnologie 5G e MEC, nonché di alcuni protocolli di comunicazione e, grazie a questo, abbiamo compreso come rispondere alle domande sopracitate. Abbiamo pensato di analizzare come cambiavano le metriche di prestazione della rete (ritardo, jitter e messaggi persi) sui protocolli Client-Server (TCP e UDP) e Pub/Sub (MQTT e ZeroMQ) sia quando il server era inserito all'interno del MEC che nel cloud. Abbiamo quindi iniziato con la progettazione di un'infrastruttura che ci consentisse di effettuare questa serie di test. Successivamente, siamo passati allo sviluppato delle applicazioni lato server e lato client per consentire la raccolta dati, quindi le abbiamo caricate su vari deployment per iniziare i test. A quel punto, con l'ausilio di un DB per immagazzinare tutti i dati e di alcuni strumenti per la fase di “Data Exploration and Analysis”, siamo stati in grado di fare alcune considerazioni. Alla fine di questa tesi, sono esplicati i risultati ottenuti con grafici e riflessioni. Un altro tema trattato riguarda alcuni esempi di analisi per spiegare come rispondere a varie domande grazie allo strumento di esplorazione ed analisi dei dati.

I test sono stati eseguiti grazie a TIM (un Telco Provider italiano) che ha fornito l'infrastruttura di rete. Le prime prove ed analisi sono state effettuate sul deployment MEC di Torino e successivamente ci siamo concentrati su un secondo deployment a Bologna. I deployment sono stati testati tramite alcuni nodi on-site collegati a modem 5G con speciali schede SIM fornite da TIM ed abilitate per l’accesso al MEC. La nostra ultima iterazione per i test è il MASA, il case study più rilevante e sfidante. MASA è una specifica area test a Modena istituita per aiutare imprese e ricercatori a sperimentare l'applicazione di nuove tecnologie nei settori di mobilità ('smart city' e 'smart road’) e nel settore dell'industria automobilistica (auto connesse e auto autonome), per il miglioramento delle condizioni sociali dei cittadini e della vita urbana, per il risparmio energetico e altro ancora.

Dai risultati si evidenzia che, se i messaggi raggiungono solo il MEC per essere elaborati e non passano attraverso internet per raggiungere il cloud server (viaggiando così molto meno) le latenze si riducono anche del 50%. Già dai primi test i delay misurati su MEC, usato per la parte server, sono promettenti; questi ultimi raggiungono facilmente valori sotto i 20 ms con alcuni risultati inferiori a 15 ms. La nostra convinzione è che, con alcune messe a punto e ottimizzazioni anche a livello di rete, le applicazioni in tempo reale possano essere fornite ai clienti grazie alle tecnologie 5G e MEC.

5G technology carries with it the promise of being able to open the way for real-time applications, increasingly in demand from the IoT (Internet of Things) world but not only (i.e. autonomous vehicles, smart grids, but also cameras that stream video feed in real-time for city monitoring). 5G also brings with it a structural change: the possibility of having services installed in the MEC (Multi-Access Edge Computing), where computing is close to end devices and packets do not flow onto the internet. However, all this opens the way to many new questions. The main challenges are related to understanding the communication performance of 5G networks through different scenarios, taking into account both MEC and Cloud services and, if the obtained results can support and enable real-time applications. Another challenge is figuring out which communication protocol, payload and message rate combinations offer the best performance and which can guarantee to stay below a certain latency limit in certain conditions. We started with an analysis of the state of the art of technologies of 5G and MEC, as well as some communication protocols, and only then, we better understood how to answer the above questions. We needed to analyze how network performance data metrics (delay, jitter, and lost messages) on Client-Server (TCP and UDP) and Pub/Sub protocols (MQTT and ZeroMQ) changes if the server was put inside the MEC or in the cloud. We started with designing an infrastructure that enables us to make these series of tests. Later on, we developed both server and client-side apps for all protocols to collect the data, and then, we deployed them to various locations in order to collect some data. At that point, with the help of a DB to store all data and some tools to do the Data Exploration and Analysis we were able to make some considerations. At the end of this thesis, we will see the obtained results with the help of some graphs and reflections. Another point concerns some analysis examples in order to answer various questions from the obtained data and with the tool used for Data Exploration and Analysis. Tests were performed thanks to TIM (an Italian Telco Provider) that provides the network infrastructure. Early analysis and tests were made on the Torino MEC deployment and then, we moved to a second deployment in Bologna. Deployments were tested with some on-site nodes connected to 5G modems with special SIM cards provided by TIM, that are enabled to access the MEC. Our last iteration for the tests is the MASA, the most relevant and challenging case study. MASA is a specific tests area in Modena set up for helping companies and researchers to test the application of new digital technologies, that include: mobility services in urban and extra-urban environments (‘smart city’ and ‘smart road’), the whole sector of the car industry (connected cars and autonomous cars), the improvement of social conditions of citizens and to enhance the quality of urban life, energy saving and much more besides. From the results we can see that if the messages only reach the MEC to be processed and do not flow through the internet to reach the cloud server, therefore traveling much less, the latencies are reduced even by 50%. Already from early tests RTT (Round-Trip Time) and E2E (End-to-End) Delays using the MEC for the server part are promising: delays easily reach the sub-20ms territory with some results under 15ms. With this, we can believe that, with some tuning and optimizations also at the networking side, real-time applications can be delivered to customers thanks to 5G and MEC technologies.