5G: i casi d’uso e le sfide associate

La quinta generazione (5G) di tecnologia wireless per le comunicazioni sta trasformando l'industria delle telecomunicazioni. L'evoluzione delle applicazioni wireless e la crescente popolarità dei dispositivi intelligenti ha portato ad una massiccia proliferazione del traffico dati mobile, creando sfide e opportunità per i fornitori di servizi mobile. Il 5G dovrebbe ulteriormente amplificare la crescita economica e la digitalizzazione della società grazie all'abilitazione di nuovi casi d'uso come città e agricoltura intelligente, energia e manifattura intelligente, guida autonoma, logistica, sicurezza pubblica e numerosi altri. Questo articolo discute i principali casi d'uso del 5G e le sfide associate ad essi.

Introduzione

I sistemi 5G sono stati progettati per il dispiegamento in una varietà di bande dello spettro elettromagnetico: sotto 1 GHz, tra 1 e 6 GHz, e per la prima volta nello spettro oltre 6 GHz, nella gamma di frequenze delle onde millimetriche (mmWave). La carenza di larghezza di banda sperimentata dalle comunicazioni wireless ha motivato l'uso delle bande sottoutilizzate mmWave (tecnicamente da 30 a 300 GHz, ma comunemente usate per riferirsi allo spettro fino a 24 GHz). Queste frequenze offrono una vasta quantità di spettro, includendo approssimativamente 100 GHz definiti per le future reti di comunicazione mobile a banda larga 5G. 5G New Radio (NR) è la prima generazione di tecnologia cellulare ad utilizzare lo spettro mmWave. Sebbene ci siano voluti anni per delineare le sue caratteristiche e prestazioni, così come lo stato dell'infrastruttura e dei dispositivi, sono ancora in molti a non averle ben comprese. I sistemi 5G nelle frequenze mmWave promettono di offrire servizi mobile avanzati in banda larga, consentendo agli operatori di soddisfare la crescente domanda di dati ad alta velocità per i tipici scenari di distribuzione all'aperto. Ma rappresentano anche una scelta complementare alle distribuzioni Wi-Fi esistenti, sia per luoghi affollati (centri congressi, concerti, stadi al coperto, ecc.) che in implementazioni aziendali.

Il 5G nelle frequenze mmWave può fornire esperienze nuove e migliorate con velocità dati multi-Gbps, bassa latenza e capacità virtualmente illimitata supportando una serie di dispositivi oltre a smartphone, tablet e laptop. Garantisce questa promessa attraverso un denso riutilizzo nello spazio per mezzo del beamforming, sia lato cella che lato dispositivo, e attraverso grandi quantità di spettro. L'implementazione delle comunicazioni mobili in quello che viene comunemente chiamato lo spettro delle onde millimetriche richiede la gestione di un difficile ambiente radio associato alle bande ad alta frequenza. C'è un maggiore Path Loss, un ridotto scattering, una conseguente riduzione nella diversità di canale e un aumento del blocco per i percorsi più deboli senza linea di vista. Questi sono problemi seri che devono essere superati se si vogliono comunicazioni mobili efficienti nello spettro delle onde millimetriche. Inoltre, l'effetto della potenza del rumore è maggiormente pronunciato per le onde millimetriche a causa dell'utilizzo di larghezze di banda maggiori. Senza dubbio, ci sono diversi problemi che devono essere affrontati per utilizzare questo spettro in maniera efficiente. L'uso di MIMO massivo, beamforming e piccole cellule o densificazione ultra-cellulare vengono viste come soluzioni chiave per le future implementazioni mobili 5G in onde millimetriche. Comprendere e distribuire queste tecnologie può effettivamente sbloccare nuovi eccitanti orizzonti nelle comunicazioni mobili a banda larga.

Scenari di dispiegamento 5G

Oltre ad operare su più bande, tra cui mmWave, 5G NR supporterà la possibilità per un dispositivo di accedere ad una rete con più tecnologie di accesso radio, simultaneamente o separatamente, tra cui 5G, LTE, ecc. Questo permette di affrontare molti dei problemi delle frequenze mmWave garantendo robustezza nel contrastare il fading e fornendo una funzionalità 5G "sempre attiva". La modalità di doppia connettività è un altro scenario di distribuzione in cui un dispositivo utente si connette alla rete 5G con la macro cella utilizzata come "ancora" nella banda sotto i 6 GHz integrata con una piccola cella mmWave. La macro cella di ancoraggio fornisce una copertura più ampia e gestisce le procedure sul piano di controllo tra cui l'acquisizione, il paging e la mobilità mentre la piccola cella mmWave fornisce servizi localizzati ad alta capacità sul piano utente.

Le piccole celle 5G mmWave usate come "sottoposte" vengono distribuite per i seguenti due casi di destinazione:

Miglioramento della capacità - in questo caso, piccole celle vengono distribuite all'interno della copertura di una macro cella sovrapposta per migliorare il throughput dell'intera rete. La copertura della cella si sovrappone alla copertura della macro cella come mostrato in Figura 1(a). Questa configurazione ha lo scopo di aumentare la capacità complessiva della rete e fornire maggiore capacità per un hotspot all'interno della copertura di una macro cella di ancoraggio.
Estensione della copertura al limite - in questo caso, piccole celle vengono dispiegate sul bordo di una macro cella per estendere la copertura della rete 5G. In questo scenario, la copertura della cella piccola può avere una parziale sovrapposizione con la copertura della macro cella sovrapposta come mostrato in Figura 1(b). Questa configurazione è essenzialmente mirata a migliorare l'esperienza utente rispetto alla disponibilità del servizio. Questa configurazione è applicabile alle distribuzioni sia indoor che all'aperto, dove la copertura ai margini della cella richiede una maggiore qualità del servizio (QoS) e migliore throughput.

Figura 1

Le reti 5G mmWave sono principalmente destinate agli ambienti urbani per fornire servizi con un'elevata velocità di trasmissione dati. Queste soluzioni possono essere utilizzate in scenari di estensione della copertura sfruttando le capacità di tracciamento e beamforming adattativo. I seguenti casi d'uso sono generalmente identificati come favorevoli all'adozione del 5G in bande mmWave.

Casi d'uso

Applicazioni e casi d'uso mirati per essere affrontati dal 5G sono stati raggruppati in tre categorie generali:

Enhanced Mobile Broadband
Internet delle Cose massivo
Applicazioni a bassa latenza ultra-affidabili

Enhanced Mobile Broadband

Questo gruppo di casi d'uso è caratterizzato dall'accesso ai dati a banda larga in luoghi affollati, aree per uffici e sistemi di trasporto pubblico ad alta velocità. L'obiettivo è fornire la massima esperienza all'utente fornendo connettività sia indoor che all'aperto, offrendo una banda larga con QoS elevata anche in condizioni di rete difficili. Interazione multiutente, AR e riconoscimento del contesto sono caratteristiche essenziali per questa categoria di casi d'uso. Ecco alcuni dei casi d'uso specifici in questa categoria.

- Hotspot - questo caso d'uso si riferisce alla fornitura di accesso migliorato a banda larga in aree densamente popolate come complessi di edifici a più piani, centri città, aree affollate, ecc. Saranno necessarie mobilità moderata e velocità di trasmissione dati elevate.
- Banda larga ovunque - questo caso d'uso si riferisce alla fornitura di una esperienza utente consistente, garantendo all'utente una velocità di 50+ Mbps ovunque. I dati dell'utente devono essere consegnati in modo consistente su tutta l'area di copertura. Sarà richiesta un'elevata mobilità.
- Trasporto pubblico - questo caso d'uso riguarda la fornitura di accesso a banda larga ai sistemi di trasporto pubblico come treni ad alta velocità. Deve fornire un robusto collegamento di comunicazione e Internet di alta qualità per informazione, intrattenimento, interazione o lavoro con la capacità di supportare un'elevata mobilità.
- Uffici intelligenti - questo caso d'uso è caratterizzato da pesante utilizzo dei dati in ambienti interni con requisiti di mobilità ridotti. Questo è uno scenario in cui centinaia di utenti richiedono una capacità estremamente elevata per servire applicazioni ad alta intensità di banda.
- Eventi speciali - questo caso d'uso richiede la fornitura di una densità di connessione molto alta in scenari come stadi, concerti e grandi raduni dove decine o addirittura centinaia di migliaia di utenti sono serviti in alta velocità e bassa latenza.
- Veicoli connessi - i veicoli sono un fattore trainante per il 5G. Questa categoria di casi d'uso implica il supporto avanzato ad applicazioni di sicurezza per mitigare gli incidenti stradali, migliorare l'efficienza del traffico e migliorare l'accesso ai veicoli di emergenza. Queste applicazioni richiedono un framework concertato con funzionalità che supportano latenza ultra bassa per i segnali di avvertimento, maggiore velocità dati per condividere dati e informazioni dei sensori tra veicoli e infrastrutture, alta mobilità, alta affidabilità e scalabilità delle funzionalità.

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