Stato dell’arte nella rete 5G

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La tecnologia 5G è all’apice della sua evoluzione nonostante la contesa tra chi la promuove come miglior soluzione tecnologica per le comunicazioni del futuro, e chi d’altro canto ci vede innumerevoli dubbi e perplessità. In questa dura e lunga battaglia ideologica o tecnica che sia, la trasformazione tecnologica in atto non si arresta e, giorno dopo giorno, sta facendo passi in avanti. Tutti i maggiori players mondiali nel settore tecnologico (chip e dispositivi mobile) e delle telecomunicazioni si stanno riservando una fetta di mercato non tanto per l’irrisorio panorama economico attuale ma per ciò che di più aureo il futuro promette. Andiamo dunque a vedere lo stato dell’arte della rete 5G e il trend attuale e futuro di questa tecnologia.

Introduzione

Lo sviluppo a livello globale delle reti di quinta generazione (5G) consentirà a breve un incremento sostanziale delle prestazioni di connessione dei dispositivi mobile in particolar modo di tutti quei dispositivi legati al mondo dell’Internet of Things (IoT) nelle più svariate forme (industria, smart home, veicoli autonomi, smart cities e via dicendo). In questo articolo andiamo a fare una breve panoramica dello stato dell'arte delle reti 5G affrontando le seguenti tematiche (sintetizzate in Figura 1):

  • I fondamentali del 5G
  • Il motivo delle discussioni
  • Le sigle e tecnologie disponibili
  • La vita in una società 5G
  • Dispositivi IoT in tecnologia 5G
  • Sviluppi futuri
  • Conclusioni
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Figura 1: Argomenti trattati

I fondamentali del 5G

Prima di comprendere lo stato dell’arte e i trend futuri della tecnologia denominata 5G, andiamo ad osservare brevemente quali sono i fondamentali che ci supporteranno nella comprensione della tecnologia 5G e ovviamente del suo potenziale. Per 5G si intende la nuova rete di comunicazione di 5 generazione (da cui il nome) che presenta caratteristiche molto interessanti quali:

  • Ampia copertura all’interno dei contesti urbani grazie alle diverse fasce di bande per la copertura totale.
  • Incremento dell’affidabilità di connessione in ottica di disponibilità del servizio e sicurezza.
  • Velocità di trasferimento più elevate (si va ai 500Mbps fino ai 2000 Mbps in funzione delle caratteristiche tecniche delle reti e delle frequenze adoperate) per soddisfare tutte le specifiche esigenze.
  • Incremento del numero di dispositivi che si possono gestire con una maggior densità in ottica di un mondo sempre più interconnesso (non solo dispositivi IoT e wearable ma anche auto a guida autonoma e smart cities).
  • Riduzione della latenza con un minor tempo tra l’invio del segnale e la sua ricezione.

Il motivo delle discussioni

Il principale motivo della controversa discussione sul 5G è relativo alle fasce di frequenza in cui questa tecnologia di comunicazione lavora. In particolare, la tecnologia 5G è stata concepita per poter operare sia in bassa, che media e alta frequenza con le seguenti fasce:

  • Bassa 694-790 MHz
  • Media 3,6-3,8 GHz
  • Alta 26,5-27,5 GHz

La fascia bassa 694-790 sfrutta quelle che già sono le frequenze utilizzate dalle attuali tecnologie di comunicazione. Queste frequenze sono concesse sotto licenza e possono variare a seconda della nazione. La fascia media sono le frequenze intermedie che si frappongono tra le note 2,4 GHz e 5 GHz utilizzate dallo standard Wi-Fi e da altre tecnologie di comunicazione. Infine, abbiamo la fascia cosiddetta alta che comprende le frequenze tra 26,5 e 27,5 GHz. Quest’ultima fascia di frequenze è detta anche la fascia delle onde millimetriche ed è al centro delle innumerevoli discussioni per quanto riguarda la pericolosità dell’esposizione del corpo umano. Infatti, quest’ultimo non è in grado di riflettere le onde millimetriche anzi le assorbe per circa il 60%. Tuttavia, è doveroso precisare e tener conto che le antenne per le comunicazioni 5G sono di tipo MIMO (Multiple Input Multiple Output) con un sistema di gestione della potenza di trasmissione in modo tale da irradiare solo dove ci sono maggiori connessioni in modo tale da gestire il risparmio energetico e una selettività spaziale. Oltretutto, come qualsiasi altro mezzo di comunicazione, anche la tecnologia 5G rispetta le normative nazionali per l’esposizione prolungata ai campi elettromagnetici.

Sigle e tecnologie disponibili

Per comprendere il vero stato di avanzamento dello sviluppo delle reti di quinta generazione è necessario comprendere anche quali siano le sigle che possiamo trovare leggendo i documenti dei piani di sviluppo. Queste in linea di principio sono le seguenti 3:

  1. 5G NR, ossia New Radio corrisponde alla prima fase di implementazione e sfrutta l’infrastruttura 4G per comunicazioni 5G. Questa tecnica è detta anche NSA (acronimo di Non-StandAlone) o LTE-Assisted.
  2. 5GC (5G Core network) detta anche 5G SA (StandAlone) ed è lo sviluppo delle reti 5G su quelle determinate frequenze che non sono coperte da 4G. In questo caso si avrà uno sviluppo nativo della rete 5G (appunto core network) in grado di operare in maniera del tutto autonoma.
  3. 5GC NSA: integrazione e cooperazione tra rete 4G LTE e 5G integrando dunque le realizzazioni della rete 4G e della coesistenza della rete 5G per le frequenze in comune ed infine cooperando con la rete nativa 5G. Dunque, si tratta dell'ultima fase implementativa delle reti.

Oltre a queste 3 sigle appena descritte, possiamo trovare anche molto spesso l'acronimo "LAA" che sta per "Licensed Assisted Access", che sta ad indicare le frequenze utilizzate già per il 4G e sotto licenza. Di fatto, però, possono esserci anche connessioni "5G NR-U", cioè "New Radio - Unlicensed" che sfrutta anche le frequenze a 6 GHz libere, ovvero non ancora sottoposte a licenza d'uso. L’utilizzo delle differenti frequenze consente di poter soddisfare i requisiti tecnici per innumerevoli casi d’uso: connettività mobile per gli utenti finali, comunicazioni machine-to-machine, trasferimenti di grosse moli di dati e via dicendo. Il primo caso introdotto è quello più tangibile per l’utente medio che, grazie al semplice smartphone, potrà beneficiare degli effetti della tecnologia di quinta generazione nell’utilizzo quotidiano con la possibilità di avere uno streaming video anche in 4K. In realtà, le capacità di gestione di un numero notevole di connessioni (elevata densità) consentirà di avere sempre più dispositivi interconnessi (illuminazione intelligente, sistemi semaforici, contatori delle utenze domestiche) ma soprattutto anche dispositivi critici quali le auto a guida autonoma.

Il Massive MIMO risulta attualmente la miglior scelta tecnica per potenziare le grandi antenne trasmittenti delle reti 4G e poter migliorare la qualità del servizio e del segnale. Grazie a tecniche quali lo shift spaziale e il beamforming è possibile direzionare e migliorare il segnale dove richiesto. Dal Massive MIMO si passa all'introduzione del concetto di Small Cells, ossia ripetitori di piccole dimensioni che possono essere utilizzati in contesto urbano per coprire aree geografiche piccole e incrementare il raggio di copertura. Questo consente di gestire più efficacemente la potenza di uscita delle celle di piccole dimensioni e incrementare al contempo la capacità di copertura. Questa soluzione tecnologica risulta fondamentale per andare a supportare le frequenze nella fascia delle onde millimetriche in quanto sono le più suscettibili agli ostacoli e quindi le più adatte solo per comunicazioni a corto raggio. Allo stato attuale, i dispositivi mobile e le infrastrutture di comunicazione sono progettate per lavorare nella fascia delle onde medie in quanto è quella che garantisce il giusto trade-off tra velocità, affidabilità, raggio di azione e superamento degli ostacoli.

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