La comunicazione mobile 5G

Il 5G è il passo successivo nell'evoluzione della comunicazione mobile. Sarà un componente chiave del Networked Society e contribuirà a realizzare una visione di accesso illimitato alle informazioni e la condivisione di dati ovunque e in qualsiasi momento. L'obiettivo del 5G è fornire una connettività universale per qualsiasi tipo di dispositivo e qualsiasi tipo di applicazione.
Le funzionalità devono estendersi ben oltre le precedenti generazioni di comunicazioni mobile. Esempi includono rate dati molto elevati e una latenza molto bassa. La rete mobile di 5a generazione  (5G)  giocherà un ruolo importante nei sistemi di comunicazione del futuro. Automobili, l'Internet degli oggetti, il controllo in tempo reale delle macchine, case intelligenti e applicazioni infrastrutturali: tutti questi temi hanno bisogno di un salto di qualità in termini di efficienza e disponibilità di infrastrutture di comunicazione mobile. Lo stato attuale della tecnologia è nelle prime fasi di sviluppo. Molte aziende sono alla ricerca di tecnologie che potrebbero essere utilizzate per far parte del nuovo sistema mobile. Oltre a questo, un certo numero di università hanno istituito unità di ricerca  focalizzate sullo sviluppo di tecnologie per 5G.
 In questo articolo affronteremo in una visione generale le caratteristiche della comunicazione mobile 5G.

Introduzione

Dai primi anni della generazione della telefonia mobile analogica (1G) all'ultima generazione implementata (4G), il paradigma tecnologico è notevolmente cambiato. Le nuove generazioni di telefonia mobile non pretendono di migliorare l'esperienza di comunicazione vocale, ma cercare di dare all'utente l'accesso ad una nuova realtà di comunicazione globale. L'obiettivo è di raggiungere ubiquità di comunicazione e fornire agli utenti una nuova serie di servizi. Nonostante i progressi compiuti nella progettazione e sviluppo di reti cellulari 4G, le nuove tendenze di mercato impongono requisiti impegnativi senza precedenti che stanno guidando alla necessità di una rete di telefonia mobile 5G.
Il mondo ha visto molti cambiamenti nel campo della comunicazione digitale. Oggi, ognuno possiede un telefono cellulare che non solo ci tiene in contatto con il mondo in generale, ma servono anche a scopo di intrattenimento. Da 1G a 2.5G e da 3G a 4G (per arrivare al 5G), le telecomunicazioni hanno visto una serie di miglioramenti con prestazioni migliorate di giorno in giorno. La tecnologia 5G è sulla buona strada per cambiare il modo in cui la maggior parte degli utenti accedono ai loro cellulari.
I principali protagonisti nel mercato della telefonia mobile ritengono che il 5G fornirà una velocità 1000 volte più veloce del 4G LTE. In particolare, il 5G permetterà un considerevole aumento della rete di espandibilità fino a centinaia di migliaia di connessioni con velocità superiori al 1 Gb/s.
 Inoltre, la tecnologia presenta miglioramenti in termini di efficienza spettrale che garantiscono applicazioni nel computing e IoT.  
Anche se il lancio è previsto dopo il 2020, alcuni produttori stanno già incorporando elementi di specifiche standard che prevedono la loro adozione. Con i sistemi di telecomunicazioni 4G che iniziano ad essere distribuiti in maniera completa, gli occhi guardano verso lo sviluppo della 5a generazione.
Gli obiettivi di alto livello più rilevanti sono riassunti in Figura 1.

 

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Figura 1: I targets del 5G

Il 5G oltre ad essere una "super radio mobile", rappresenta una completa armonizzazione delle attuali tecnologie esistenti sul mercato quali LTE e LTE-A. Il 5G è una tecnologia che va di pari passo con lo sviluppo della fibra ottica, in quanto le due tecnologie (fisse e mobile) dovranno in futuro integrarsi. Nell'ottica del 5G bisognerà individuare un nuovo modo di allocare le risorse radio, di memorizzare i dati e soprattutto di processarli.

In sintesi ecco le principali caratteristiche del 5G:
•    bit rate 1000 volte superiore a quella del 4G;
•    bassissima latenza;
•    sostenibile.

Essere in grado quindi di abilitare nuovi scenari di mercato della tecnologia dell'internet delle cose e del settore automotive con le self driving car e dell’info-entertainment con un uso intenso del 3D.

Caratteristiche

Il 5G deve essere in grado di gestire volumi di traffico di grandezza nettamente superiori rispetto alle reti odierne. Questo è considerato come il requisito più importante e impegnativo per le reti future. La domanda di traffico per i sistemi di comunicazione mobile è prevista in notevole aumento nei prossimi anni. Per supportare tale traffico in un modo economico, le reti 5G devono essere in grado di fornire dati con un basso costo per bit rispetto alle reti attuali. Inoltre, il 5G deve consentire un consumo energetico radicalmente inferiore.
Un altro aspetto è la capacità di supportare un numero molto maggiore di dispositivi. I nuovi casi di utilizzo includono, per esempio, l'impiego di miliardi di sensori wireless collegati, attuatori e dispositivi simili.
Il 5G deve fornire non solo il più alto tasso di dati, ma anche una bassa latenza inferiore a 1ms attraverso la rete di accesso radio (RAN), ovvero, un grande salto da 5ms di LTE.
A causa delle proprietà dei protocolli Internet, una minore latenza è fondamentale per realizzare le velocità di trasferimento dati più elevate. Ciò consentirà ai servizi cloud futuri una quasi "zero latenza" e nuovi servizi come il controllo dinamico dei sistemi M2M. La possibilità di aver un basso costo e basso consumo di energia per i dispositivi mobili è stato un requisito fondamentale fin dai primi giorni della comunicazione mobile. Tuttavia, al fine di consentire la connettività di miliardi di sensori wireless, un ulteriore passo deve essere preso in termini di costi e  consumi. Dovrebbe essere possibile avere dispositivi 5G a costi molto bassi garantendo una durata della batteria di diversi mesi (se non addirittura anni) senza ricarica. Anche se gli organismi di normazione non hanno ancora definito i parametri necessari per incontrare un livello di prestazioni 5G, altre organizzazioni hanno stabilito i propri obiettivi che possono eventualmente influenzare le specifiche finali.

 I parametri tipici di uno standard 5G possono essere riassunti nella figura 2.

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Figura 2: Alcuni parametri della comunicazione 5G

La ricerca attuale

I centri di ricerca stanno svolgendo una indagine di studio per individuare e definire meglio le caratteristiche del 5G. Alcune aree chiave includono la tecnologia ad onde millimetriche.
Usando frequenze molto più elevate, si ha la possibilità di avere una buona larghezza di banda, forse 1-2 GHz. Tuttavia, questo pone nuove sfide per lo sviluppo della tecnologia in cui frequenze massime di circa 2 GHz e larghezze di banda di 10 - 20 MHz sono attualmente in uso. Per 5G, le frequenze superiori a 50 GHz sono di interesse e queste possono presentare alcuni problemi reali in termini di progettazione del circuito.
Un settore chiave di interesse è quello delle nuove forme d'onda. OFDM è stato usato con successo in 4G LTE, ma presenta delle limitazioni in alcune circostanze. Formati proposti comprendono: Generalised Frequency Division Multiplexing, così come FBMC, Filter Bank Multi-Carrier e UFMC, Universal Filtered MultiCarrier. Ognuno ha i suoi vantaggi e limiti ed è possibile che i sistemi possono essere impiegati utilizzando diverse forme d'onda in modo adattativo. Ciò fornisce molta più flessibilità per le comunicazioni mobili 5G. 
FBMC ha guadagnato un alto grado di interesse come un potenziale candidato.  In molti modi FBMC ha molte similitudini con CP-OFDM, ovvero OFDM con un prefisso ciclico che viene utilizzato come forma d'onda 4G (Figura 3). Invece di filtrare l'intera banda come nel caso di OFDM, FBMC filtra ciascuna sottoportante singolarmente ed è in grado di fornire un elevato livello di efficienza spettrale.

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Figura 3: Layout generale del OFDM (a) e del FBMC (b)

UFMC può essere considerato come un miglioramento di CP-OFDM. Differisce da FBMC in quanto divide il segnale in un certo numero di sottobande che poi vengono filtrate. 


GFDM, invece, è una tecnica di trasmissione multi-carrier flessibile che possiede molte somiglianze con OFDM. La differenza principale è che i vettori non sono ortogonali tra loro e riduce il rapporto di picco a media potenza, PAPR. Il peak to average power ratio (PAPR) è un aspetto da tener conto in qualsiasi schema di modulazione 5G.
 Il rapporto di picco a media potenza ha un grande impatto sull'efficienza degli amplificatori di potenza. Una serie di nuovi sistemi di accesso sono sotto analisi per la tecnologia 5G: OFDMA, SCMA, NOMA, PDMA, MUSA e IDMA. Mentre PSK e QAM hanno fornito eccellenti prestazioni in termini di efficienza spettrale, resilienza e capacità, gli schemi di modulazione come APSK potrebbero fornire vantaggi in alcune circostanze. 3G e 4G usano schemi di modulazione PSK e QAM. Questi sistemi forniscono un'eccellente efficienza spettrale e hanno permesso tassi molto elevati di dati, ma inferiori in termini di PAPR. Attualmente i sistemi utilizzano divisione di frequenza duplex, FDD o duplex a divisione di tempo, TDD. Nuove possibilità si aprono per 5G inclusi duplex flessibile, in cui il tempo o frequenze assegnate sono variabili, e un nuovo sistema denominato division free duplex or single channel full duplex. Questo schema per 5G consentirebbe la trasmissione e ricezione contemporaneamente sullo stesso canale. Per superare il problema PAPR, un'opzione presa in considerazione per uno schema di modulazione 5G è APSK o Phase Shift Keying.
 Tuttavia, in considerazione del fatto che i componenti di ampiezza di un segnale sono più soggetti al rumore, è probabile che qualsiasi schema di modulazione 5G complessivo sarà adattativo, consentendo al sistema di passare alla più ottimale modulazione per una data situazione.

Altri concetti 5G

Ci sono nuovi concetti che vengono studiati e sviluppati per il nuovo sistema mobile 5a generazione. In particolare, la tecnologia radio cognitiva che consentirebbe di scegliere la rete ottimale di accesso, lo schema di modulazione e altri parametri da configurare per ottenere la migliore connessione e prestazioni ottimali.
  Il Mesh networking wireless e rete ad-hoc dinamica: con la varietà di diversi schemi di accesso sarà possibile fornire reti wireless ad-hoc per flussi di dati molto più veloci.
  Antenne intelligenti: un altro importante elemento di ogni sistema cellulare 5G sarà quello delle antenne intelligenti con le quali sarà possibile modificare la direzione del fascio per consentire la comunicazione più diretta minimizzando le interferenze e aumentando la capacità complessiva delle celle radio.

 Ci sono molte nuove tecniche e tecnologie che saranno usate nel nuovo sistema di telecomunicazione cellulare o mobile 5G. Queste nuove tecnologie 5G sono ancora in fase di sviluppo e gli standard generali non sono ancora in una fase di definizione. La trasmissione multi-antenna svolge già un ruolo importante per le attuali generazioni di comunicazione mobile e svolgerà un ruolo ancora più importante nell'era 5G. Soprattutto per funzionare a frequenze più elevate, l'utilizzo di più antenne è un fattore critico per contrastare le peggiori condizioni di propagazione a frequenze più elevate

Un primo evento di 5G sarà il rilascio dello spettro di frequenze e questo deve essere gestito su scala globale per garantire uniformità e anche la riduzione delle interferenze tra servizi, in particolare quelle che operano a livello globale. Questo processo è gestito dalla International Telecommunications Union, ITU durante le conferenze mondiali WRC. La WRC2019 permetterà di avere a disposizione determinati  requisiti di spettro per 5G (Figura 4). Entro questa data, si prevede che i lavori sulla 5G avranno fatto sufficienti passi avanti.


  Anche se le prime implementazioni di 5G dovranno verificarsi intorno al 2020, queste saranno relativamente limitate.

Spettro del 5G

Figura 4: Spettro del 5G

La normalizzazione è un elemento chiave del processo,  per la corretta distribuzione del 5G. Essa coinvolge anche diverse agenzie tra cui 3GPP, ETSI, NGMN, IEEE e simili.

Considerazioni e conclusioni

E' generalmente stimato che i tempi per le prime reti 5G saranno pronte intorno al 2020, anche se c'è pressione per alcuni operatori di lanciare il servizio molto prima di quella data.

 Tuttavia la vita utile per il 5G è probabilmente molto lunga, si prevede di rimanere in uso almeno fino al 2040.

Il 5G promette di fornire teoricamente una velocità minima di 10 Gbps per i dispositivi collegati che consentono le più recenti high-throughput a banda larga.

 Inoltre, promette anche di essere efficiente in termini di consumo energetico con una riduzione fino al 90% rispetto alle ultime tecnologie, aumentando la durata della batteria per un massimo di 10 anni.

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Figura 5: Lo sviluppo della tecnologia Mobile

Resta il fatto che in alcune città la connettività 4G resta ancora un miraggio, all'estero, invece, rappresenta quasi un passato e si sta mettendo in piedi la prossima tecnologia, il 5G appunto. Essenzialmente, il 5G dovrà avere una larghezza di banda tale da poter accogliere circa 50 miliardi di dispositivi che si prevedono nel 2020. Dall'altro canto la tecnologia deve prevedere un aumento della velocità, riduzione dei costi e un buon equilibrio tra consumo e prestazioni. In poche parole, un aumento delle prestazioni e un basso consumo energetico.

Huawei e NTT DoCoMo hanno condotto dei primi test su campo aperto in Cina ottenendo ottimi risultati: con 24 apparecchi connessi la velocità media di download è stata di 1,36 Gbs e un picco di 3.6 Gbps: risultati incoraggianti considerando l'arrivo del 2020.

Un nuovo rapporto di mercato lungimirante da Juniper Research prevede una sana adozione del 5G, con ricavi da servizi che superano 65 miliardi di dollari entro il 2025, rispetto ai soli 100 milioni di dollari nel corso della sua prima adozione del 2020.  
Juniper rileva che, mentre i primi roll out commerciali sono attesi nel 2020, una diffusa adozione avverrà solo dal 2025 (Figura 5). Che dire, non ci resta che aspettare!

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 9 marzo 2016

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