Le sfide del settore Wireless/RF – Intervista a Roger Nichols e Frederic Weiller, Ingegneri @ Keysight Technologies Inc.

Oggi parliamo con Roger Nichols, Program Manager 5G di Keysight Technologies Inc., che ci spiegherà quali sono le sfide della tecnologia RF e le prospettive di sviluppo del 5G, e con Frederic Weiller, Responsabile delle soluzioni per l'Industria automotive ed energetica di Keysight Technologies Inc. per fare il punto della situazione sullo stato attuale del settore automotive riguardo ai veicoli interconnessi ed il self driving.

La tecnologia dei semiconduttori di potenza RF rappresenta una quota di mercato importante nel settore delle telecomunicazioni. Oltre alle applicazioni basate su semiconduttori a radiofrequenza, si stanno implementando nuovi standard di comunicazione dove la parola chiave sembra essere “data speed”, ma non solo. Il protocollo wireless 5G potrebbe portare la guida autonoma ad affermarsi completamente su larga scala grazie al superamento delle criticità legate alla sicurezza. Gli investimenti sono orientati al potenziamento della rete wireless di nuova generazione 5G, un enorme potenziale per l’interconnesione dei veicoli nell’ecosistema del self driving.

1.La tecnologia dei semiconduttori di potenza RF è presente in molti dispositivi come gli amplificatori di potenza RF. Pensa che questi dispositivi possano ottenere una buona fetta del mercato elettronico?

I semiconduttori di potenza sono cresciuti in quota di mercato per diversi anni, con molto lavoro iniziale in LDMOS che ora evolve in una crescita significativa nell'uso di GaN. LDMOS ha un uso importante nelle tecnologie precedenti con numerose applicazioni a basso costo al di sotto di 1 GHz. Tuttavia, GaAs è un "RF Power Semiconductor" e praticamente ogni telefono realizzato oggi per la terza generazione ed oltre, ha un front-end RF GaAs. Quindi la quota di GaAs è significativa ed è stata relativamente stabile negli ultimi quattro anni. La crescita dell'uso di GaN negli amplificatori di potenza dell’infrastruttura mobile (cell-site), in particolare nei grandi build-out LTE nel periodo 2012-2015, ha stabilito saldamente i GaN nell'uso diffuso ed il volume associato ha contribuito a ridurre i costi per le comunicazioni commerciali di più ampio uso. Ci sono continue discussioni sul fatto che le tecnologie 5G, in particolare quelle che richiedono funzionalità "mid-band" 3-7 GHz ed ovviamente quelle che richiedono il funzionamento nelle bande FR2 di 24-52 GHz, possono permettersi l'uso di più costosi semiconduttori di potenza RF (III/V). Quindi, la domanda è: quali parti del volume sono guidate da silicio e/o SiGe, o da GaAs, o forse anche da GaN? La risposta sarà un mix. Il silicio è il meno costoso ed il più maturo in termini di tecnologia di processo e di packaging. La tecnologia associata alla costruzione di array di amplificatori, ciascuno associato ad un sottoinsieme di antenne in un array di antenne, consente guadagni non possibili con singoli elementi associati a singoli amplificatori. Le tecnologie di antenna phased array a base di silicio si stanno rivelando promettenti in alcune applicazioni 5G, anche nelle bande FR2. Ma il 5G guiderà gli investimenti in bande di frequenza a partire da 600 MHz fino ad almeno 47 GHz. Il link budget (il budget di potenza RF consentito tra trasmettitore e ricevitore per garantire un adeguato rapporto segnale/rumore al ricevitore) per le nuove bande radio commerciali tra 3 e 7 GHz si sta dimostrando difficile, aumentando così la necessità di amplificatori di potenza efficienti ed amplificatori a ricezione a basso rumore. Inoltre, il consumo di energia elettrica rappresenta sia un importante problema di costo per gli operatori di telefonia mobile, sia un problema di capacità della batteria per chi progetta apparecchiature mobili per utenti. Le tecnologie III/V, come GaAs e GaN, producono amplificatori con efficienza molto più elevata e, nonostante il loro costo, rendimento ed alcune altre sfide tecniche, ci sarà una crescente domanda per questi. Keysight è stata coinvolta nell'aiutare i nostri clienti a progettare e testare dispositivi da questi ed altri processi per decenni: abbiamo la nostra tecnologia di fabbricazione e packaging III/V per semiconduttori a radiofrequenza da utilizzare nei nostri prodotti. Vediamo questa attività come un’opportunità in crescita, sia migliorando i nostri processi sia aiutando i nostri clienti a fare lo stesso (Figure 1 e 2).

Figura 1. Spectrum analyzer

 

Figura 2. Spectrum monitoring

2.Il settore delle telecomunicazioni si sta avvicinando all'adozione dello standard wireless 5G. Ciò sicuramente aumenterà l'efficienza dei dispositivi grazie alla velocità di trasmissione dei dati di gran lunga superiore a quella del 4G. Quali sono i potenziali di questa tecnologia emergente e di cosa ha bisogno per essere in grado di affermarsi su larga scala?

La prospettiva per il 5G è molto più che un avanzamento nella velocità di trasmissione dei dati. "Incredibilmente veloce" è solo una delle cinque frasi di visione che fanno parte del lessico 5G da oltre cinque anni. Questi includono anche "Ottimo servizio in mezzo alla folla", "Super comunicazioni in tempo reale ed affidabili", "Il miglior servizio ti segue ovunque" e "Cose onnipresenti che comunicano". Il potenziale è molto più di un download di film super veloce o di un'esperienza di videogiochi migliore. Altre aree di interesse del 5G includono un enorme aumento della capacità del sistema, non solo per aumentare il numero di utenti e device, ma per gestire un'ampia varietà di applicazioni. Queste applicazioni vanno da quelle con un numero molto elevato di connessioni a bassa richiesta di dati a quelle con meno connessioni ma richieste significative sulla velocità dei dati. Inoltre, l'attenzione aggiuntiva alla bassa latenza ed alla massima affidabilità apre l'uso delle reti wireless commerciali alle aziende che altrimenti non le considererebbero. Ancora più importante è la progettazione delle reti 5G per essere molto più flessibili con una porzione molto più ampia delle funzionalità di rete implementate nel software. Ciò consentirà ad una rete fisica di essere praticamente "affettata" con fette diverse applicate a diversi set di applicazioni. Ad esempio, una porzione della rete potrebbe essere utilizzata per l'uso tradizionale della banda larga mobile ed un'altra potrebbe essere utilizzata per un'applicazione ad elevata affidabilità o a bassa latenza correlata alla facilitazione del trasporto automatizzato. Queste caratteristiche permetteranno l’accesso alla rete ad una gamma molto più ampia di aziende ed applicazioni e per aprire nuovi modelli di business per gli operatori di rete e le rispettive supply chains. Cosa è necessario? Ci sono tre aree che sono tipiche aree di interesse per stabilire una nuova generazione di reti wireless. Tutte si basano su una serie di politiche e standard che consentono di stabilire ed implementare la tecnologia: 1) La rete stessa deve essere costruita e ciò deve avvenire mantenendo la rete legacy senza intoppi; 2) Gli utenti, siano essi persone o macchine, necessitano di dispositivi e dispositivi utente per connettersi alla rete; 3) Il software ed i modelli di business per le nuove applicazioni devono essere sviluppati e migliorati. Tutte insieme, ci vogliono anni per stabilirlo. Le prime reti commerciali di "produzione" 5G sono state attivate alla fine del 2018 ed altre sono in arrivo nei prossimi mesi. Come in tutte le generazioni precedenti, queste iniziano in poche aree geografiche limitate e crescono da lì. Keysight è nel settore per consentire la ricerca, lo sviluppo, le prove ed il lancio di 5G, dal 2013. Siamo molto lieti di vedere questi primi sistemi operativi e continueremo a far parte dell'evoluzione di questa generazione.

3.Il successo dei veicoli a guida autonoma è strettamente legato ai sensori, pensiamo ad esempio ai sensori Radar o Lidar ed alle tecnologie di connessione. In che modo il protocollo wireless 5G può migliorare e rendere più efficienti le connessioni tra veicoli autonomi? 

Mentre la guida autonoma, l'auto connessa e l'evoluzione del 5G continuano a guadagnare slancio, le comunicazioni wireless stanno giocando un ruolo fondamentale nel mantenere l'intero ecosistema di veicoli, infrastrutture e pedoni sincronizzati. Al fine di migliorare la sicurezza stradale e ridurre il numero di incidenti che possono diventare ancora più impegnativi con l'affermarsi della guida autonoma, c'è una necessità pressante per i veicoli di osservare ciò che accade intorno a loro, prevedere ciò che sta per accadere, comunicare tra loro ed adottare misure di sicurezza proattive. L'ecosistema automotive integra un'ampia varietà di tecnologie di comunicazione wireless che rendono le strade più sicure consentendo ai veicoli di condividere e ricevere i segnali senza interruzioni. Ciò include:

  • Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) che sono indicati come il "cervello" dell'auto per aiutare ad automatizzare il processo di guida utilizzando notevoli risorse computazionali, fusione dei sensori, machine learning e pianificazione dei percorsi;
  • fusioni di sensori con rilevamento Radio Detection and Ranging (RADAR), rilevamento Light Detection and Ranging (LIDAR) e sensori ottici (telecamere);
  • sistemi di informazione ad alta velocità che integrano reti Ethernet automobilistiche, elaborazione potente del segnale, mappatura ad alta definizione (HD) con navigazione ad alta precisione ed intelligenza artificiale (AI).

V2X, o Vehicle to Everything, è un sistema di comunicazione wireless che consente a veicoli, infrastrutture stradali e pedoni di essere interconnessi e comunicare tra loro. Mentre Dedicated Short Range Communications (DSRC) ha beneficiato di un avvio precoce, la tabella 1 mostra come Cellular V2X non solo sta recuperando terreno, ma si posiziona bene per il futuro.

Criteri 802.11p DSRC Cellular V2X
Disponibilità IEEE 802.11p approvato nel 2010 4G (LTE) con evoluzione a 5G
Efficacia dei costi
Richiede la distribuzione di punti di accesso e gateway
Sfrutta l’infrastruttura di rete cellulare esistente
Scalabilità ed evoluzione Nessun percorso di corrente Da 4G a 5G di prossima generazione
Latenza Meno di 5 ms 4G a 50 ms  5G a 1 ms
Posizionamento Solo V2V / V2I V2V / V2N / V2I / V2P

Tabella 1. Confronto tra tecnologie DSRC e Cellular V2X

Cellular Vehicle to Everything (C-V2X) attualmente è basato su 3GPP Rel-14 LTE-A Pro. La tecnologia C-V2X è definita dal 3GPP basato sulla tecnologia modem cellulare LTE Release 14. Oggi LTE-V2X, che è la versione iniziale di C-V2X, è vicino al lancio commerciale e consentirà ai veicoli di comunicare tra loro e con l’ambiente circostante. La tecnologia C-V2X si basa attualmente su 4G LTE, ma la sua transizione verso il 5G è già in fase di sviluppo. Con V2X basato su 5G, le informazioni provenienti da sensori ed altre fonti viaggiano attraverso i link a elevata larghezza di banda, a bassa latenza ed alta affidabilità del 5G, aprendo la strada alla guida completamente autonoma.

4.In che misura l'affidabilità e la sicurezza di un sistema a guida autonoma vengono influenzate dall'integrità dei segnali di interconnessione del veicolo?

Vehicle to Everything (V2X) si basa su tecnologie di comunicazione per portare la guida autonoma ad uno stadio superiore. Sebbene molte tecnologie avanzate come RADAR, LIDAR e fotocamere, possano rilevare gli oggetti, le comunicazioni wireless V2X potenziano queste tecnologie. V2X migliora la consapevolezza generale del contesto offrendo un maggiore orizzonte elettronico per supportare avvisi di sicurezza soft come riduzione anticipata della velocità o avvisi graduati, inclusa una velocità ridotta. V2X offre una visibilità a 360 gradi senza allineamento visivo ed una gamma estesa per migliorare la funzionalità e la sicurezza della guida autonoma. La consapevolezza del non allineamento visivo è particolarmente preziosa di notte ed in condizioni climatiche avverse.

  • V2X trasmette l'intento condividendo i dati dei sensori e la pianificazione dei percorsi per un livello superiore di prevedibilità in situazioni come i pericoli della strada o improvvisi cambi di corsia.

Le seguenti applicazioni sono possibili grazie alle comunicazioni wireless:

  • Vehicle to Vehicle (V2V), in cui i veicoli comunicano direttamente per condividere avvertenze pre e post collisione, in prossimità di condizioni stradali in tempo reale, avvertimento di un punto cieco e miglioramento della visibilità;
  • Vehicle to Network (V2N), in cui i veicoli comunicano con un'infrastruttura di rete wireless composta da stazioni base e remote radio head (RRH) per condividere dati sul traffico in tempo reale;
  • Vehicle to Infrastructure (V2I), quando i veicoli comunicano con elementi dell'infrastruttura quali semafori, terminali di emergenza e lampioni per condividere informazioni sul traffico;
  • Vehicle to Pedestrian (V2P) che fornisce avvisi di sicurezza a pedoni e ciclisti.

Il Cellular Vehicle to Everything (C-V2X) funziona attualmente su 3GPP R14, fornendo misure di sicurezza di base come avvertenze di collisione e platooning di base, ovvero quando i veicoli autonomi comunicano tra loro per viaggiare a distanze ravvicinate, in sicurezza ad alta velocità. Per la prossima versione di C-V2X R14 per una maggiore sicurezza, la tecnologia si evolverà per estendere il suo orizzonte elettronico, fornendo maggiore affidabilità e prestazioni di non allineamento visivo, come il fornire misure precauzionali sui rischi di curva cieca. In futuro la release C-V2X R15 + fornirà sicurezza avanzata per la guida autonoma in condizioni reali. Ciò includerà comunicazioni ad alto rendimento per la condivisione dei sensori, in parte per una guida altamente automatizzata ed una guida cooperativa. Le tecnologie wireless avanzate basate su LTE e 5G sono gli elementi tecnologici chiave per rendere la guida autonoma una realtà. Mentre gli sviluppatori C-V2X guardano al futuro della guida autonoma, devono al contempo superare le sfide di progettazione e verifica delle prestazioni. Non è un'impresa da poco, ma il percorso rimane chiaro: tutta l'innovazione deve iniziare e terminare con test rigorosi, completi ed all'avanguardia durante la progettazione e la produzione per garantire il massimo livello di prestazioni, interoperabilità e sicurezza, fondamentali per la sicurezza stradale e per ridurre il numero di incidenti in futuro.

 

 

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3 Commenti

  1. Mariangela.Mone Mariangela.Mone 2 Aprile 2020
  2. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 3 Aprile 2020
  3. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 5 Maggio 2020

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