La rete mobile di quinta generazione (5G) promette di rivoluzionare l’intero settore delle comunicazioni wireless, con importanti innovazioni in grado di guidare l’espansione economica attraverso nuovi prodotti e servizi in settori quali elettronica di consumo, IoT, automotive, entertainment e sanità. Una delle tecnologie richieste per l’implementazione della rete 5G è rappresentata dalle antenne array, fondamentali per ottenere le prestazioni e la capacità richieste dalla nuova infrastruttura di rete.
Introduzione
L’infrastruttura di rete di quinta generazione, indicata anche come 5G NR (acronimo di New Radio), rappresenta un approccio totalmente nuovo al sistema di comunicazione mobile. La tecnologia 5G, nel corso dei suoi diversi rilasci previsti dalle roadmap stabilite dagli operatori, sarà in grado di supportare differenti tipi di forme d’onda (tra cui le onde millimetriche, o mmWave), diverse modalità e schemi di accesso alla rete e la condivisione di più servizi grazie alla disponibilità di una maggiore ampiezza di banda. I servizi attualmente già installati continueranno ad essere supportati, garantendo la compatibilità in avanti con i requisiti di rete futuri. Rispetto alle tecnologie mobili delle generazioni precedenti, la rete 5G richiederà una catena di elaborazione del segnale molto più complessa e la capacità di gestire velocità di trasferimento dati superiori.
Le nuove funzionalità
È importante sottolineare come la rete 5G non si limiti ad incrementare le prestazioni, in termini di velocità di upload e download, delle precedenti tecnologie di comunicazione mobile, o sia semplicemente un aggiornamento di standard e protocolli già esistenti. Il 5G rappresenta infatti una tecnologia radicalmente innovativa che abbraccia una varietà di soluzioni di complessità elevata. Oltre alle applicazioni tipiche della telefonia mobile, la tecnologia 5G è nata per supportare servizi ed applicazioni di livello superiore, come veicoli a guida autonoma, comunicazione tra veicoli (V2V e V2X), realtà virtuale (VR) e realtà aumentata (AR), streaming video ad alta definizione ed applicazioni massive di IoT. Le nuove funzionalità previste dalla rete 5G possono essere così sintetizzate:
- eMBB (enhanced Mobile BroadBand): la maggiore ampiezza di banda a disposizione della rete mobile consentirà un utilizzo fluido e performante di applicazioni quali realtà aumentata, streaming video e video conferenza;
- mMTC (massive Machine Type Communication): con questo termine si intende la capacità di gestire una connettività massiva (migliaia o milioni di dispositivi connessi) senza sovraccaricare la rete. Ciò permetterà una gestione efficiente di applicazioni IoT complesse, comprendenti sensori ad elevata integrazione, come smart home, smart city, smart grid ed altro ancora;
- URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication): questo servizio avrà il compito di supportare tutte le applicazioni che richiedono un comportamento in tempo reale e latenza estremamente ridotta, come factory automation, sistemi di controllo industriale, auto a guida autonoma, smart grid e chirurgia robotica.
Nel diagramma di Figura 1 possiamo osservare i tre principali use case del 5G appena descritti, con le rispettive aree comuni di intersezione.
Figura 1: i tre principali use case della tecnologia 5G
Per soddisfare questi ambiziosi requisiti occorre disporre di un’elevata ampiezza di banda. Di conseguenza, alla rete 5G sono state assegnate nuove bande radio, sia nella gamma di frequenze fino a 6 GHz, sia nella gamma superiore a 24 GHz (onde millimetriche). Le implicazioni a livello progettuale non sono trascurabili: alcuni dispositivi dovranno ad esempio poter operare su più bande, mentre le onde millimetriche (se irradiate a livelli di potenza paragonabili a quelli delle attuali reti mobili) sono facilmente assorbite da fogliame, edifici e pioggia, limitando il loro utilizzo a comunicazioni di tipo LoS (Line of Sight). Un ruolo importante sarà giocato dalle antenne, un fattore cruciale per il successo del 5G. Da un lato, frequenze più elevate richiederanno, a parità di guadagno, antenne di dimensione inferiore. Dall’altro lato, antenne più piccole saranno in grado di ricevere una quantità inferiore di energia, limitando la massima distanza percorribile rispetto a quella ottenibile con le frequenze più basse.
Antenne per il 5G
La tecnologia 5G richiede delle antenne attive, più precisamente delle “phased antenna array”, in grado di fornire una migliore copertura, ridurre le interferenze ed incrementare la capacità di trasmissione. Un primo requisito relativo alle antenne riguarda la frequenza. Il 5G New Radio è un’infrastruttura scalabile in grado di operare nella banda di frequenze comprese tra 450 MHz e 6 GHz e nella banda di frequenze comprese tra 24.25 GHz e 52.66 GHz. Questo requisito è soddisfatto utilizzando la tecnica di trasmissione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), basata sull’impiego di più sottoportanti, a ciascuna delle quali è applicata una modulazione di tipo convenzionale. Il vantaggio principale della tecnica OFDM è quello di permettere la comunicazione anche in condizioni pessime del canale (condizioni atmosferiche particolarmente avverse oppure in presenza di elevata attenuazione del segnale). Le frequenze elevate utilizzano canali di trasmissione con ampiezza di banda e spazio per le sottoportanti maggiore. Viceversa, le basse frequenze dello spettro assegnato al 5G utilizzano canali di trasmissione con ampiezza di banda e spazio per le sottoportanti inferiore. Adattando lo spazio delle sottoportanti all’ampiezza di canale disponibile, la rete 5G può operare su un’ampia gamma di frequenze. Ciò consente, inoltre, di installare l’infrastruttura 5G sulla rete 4G-LTE esistente. In Figura 2 possiamo osservare un confronto visivo tra le tecniche di trasmissione FDM e OFDM: si noti come quest’ultima comporti un utilizzo più efficiente della banda disponibile.
Figura 2: confronto tra le tecniche FDM e OFDM
Un range di frequenze così elevato non può non avere effetti sul tipo di antenna utilizzato. Un segnale alla frequenza di 1 GHz, ad esempio, ha una lunghezza d’onda di circa 30 cm. Un segnale a 28 GHz, viceversa, ha una lunghezza d’onda di soli 1.07 cm. La stessa antenna non può quindi funzionare su entrambe le frequenze: occorreranno almeno due antenne differenti. Il problema di aumentare il numero di antenne non si pone sui tralicci, dove normalmente esiste spazio sufficiente per ospitare più gruppi di antenne. Il problema si complica invece sui dispositivi mobili, dove lo spazio disponibile è molto ridotto. Alcune aziende leader del settore hanno tuttavia già realizzato dei moduli RF per smartphone in grado di supportare antenne array per bande 5G multiple.
Massive MIMO
Una delle principali sfide che la tecnologia 5G deve affrontare è la necessità di supportare un maggiore numero di dispositivi connessi, in grado di operare contemporaneamente ad elevate velocità di trasmissione. Ciò richiede un utilizzo esteso di antenne MIMO (Multiple Input Multiple Output), già introdotte per il rilascio della rete 4G-LTE. Con il termine MIMO si intende un’antenna array composta da più antenne trasmittenti e riceventi (tipicamente una matrice 8x8 nelle attuali reti LTE) in grado di scomporre un segnale in più fasci codificati, trasmessi simultaneamente da più antenne dell’array. Sia il dispositivo trasmittente, sia il dispositivo ricevente sono dotati di antenne multiple e di funzionalità hardware in grado di codificare e decodificare il segnale decomposto in più fasci. I vantaggi offerti dalle antenne MIMO risiedono nella possibilità di comunicare contemporaneamente con più utenti e più dispositivi ed in un maggiore throughput della rete. In ambito 5G si parla di massive MIMO (mMIMO), intendendo con ciò la presenza nell’array di un numero molto maggiore di antenne rispetto a quanto avviene nel 4G-LTE. Le antenne per basse frequenze avranno dimensioni maggiori, mentre le onde millimetriche utilizzeranno antenne più piccole. In Figura 3 possiamo osservare un’antenna MIMO progettata per supportare la banda 5-6 GHz della rete 5G. Il pannello è composto da 64 elementi, ciascuno dei quali trasmette e riceve simultaneamente con differenti polarizzazioni, fornendo due percorsi indipendenti del segnale tra trasmettitore e ricevitore, equivalenti ad un sistema composto da 128 antenne. Più pannelli possono poi essere combinati tra loro, creando un massive MIMO array con guadagno potenzialmente illimitato. [...]
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Articolo interessantissimo. Il 5G è ormai sotto i riflettori di tanti e sono molte le informazioni errate che vengono date al riguardo. Forse l’unico problema potrebbe essere l’elevata frequenza con il quale viene trasmesso il segnale perchè potrebbe provocare problemi alla salute dell’uomo e degli animali. Ma questa problematica è stata posta anche con il 4G e con il 3G e ancora non è stata risolta. Anche il problema di installare nuove antenne non si pone in quanto, vengono utilizzati i vecchi tralicci sui quali possono essere posizionate le nuove antenne e anche di dimensioni minori delle precedenti.
Con questa tecnologia però potremmo avere servizi migliori, oltre che nuovi.
Interessante come sono stati descritti gli ulteriori accorgimenti tecnologici riguardo il 5G come ad esempio, l’incremento del Massive MIMO già presente nella 4G_-LTE e il Beamforming per ottimizzare la trasmissione dei dati.
La difficoltà tecnologica di realizzazione, messa in campo con il 5G, è sicuramente elevata e le sfide sono notevoli. In un sistema così complesso come quello derivante dall’uso della tecnica OFDM in maniera massiccia, diventa sicuramente determinante sia l’allocazione delle risorse che la gestione degli errori di trasmissione e ricezione.
Senza contare ovviamente la necessità di effettuare studi relativamente alle eventuali ripercussioni sulla salute per via della futura massiccia esposizione alle onde millimetriche, e non solo; argomento totalmente nuovo e quindi impossibile ancora da valutare nel lungo periodo.
Il fatto di operare a frequenze elevate diventa un limite per quanto riguarda l’attenuazione del segnale (maggiore è la frequenza minore è la penetrazione dell’onda negli ostacoli). Ciò diventa impegnativo in ambienti urbani densi, dove sarà necessario utilizzare un numero maggiore di antenne per la copertura anche all’interno degli edifici. Ma la dimensione delle antenne ridotta renderà questi elementi radianti quasi invisibile o almeno integrati nell’ambiente.
Di certo ci sono elevati problemi tecnici che devono essere superati, ma quello che tutto si chiedono cosa ne sarà della salute dell’uomo a tale proposito? Si continuano a sperimentare le nuove frequenze, senza contare poi quella di casa, siamo praticamente bombardati da frequenze,intanto la sperimentazione di potenziali danni all’uomo? Si pensa solo ai benefici del cellulare, ma ci uccidiamo noi stessi…. Di sicuro bene non fanno! Per quanto si possa notare , stanno aumentando i casi di patologia come l’Alzheimer; sarà un caso? Speriamo! almeno per le future generazioni….
Finalmente una relazione esauriente sulla tecnologia 5G !
Ormai da tempo si parla dell’avvento di questa innovazione nelle trasmissioni e troppi si improvvisano esperti in campi ingegneristici o biomedici , diffondendo notizie confuse, false e tendenziose.
In questo articolo è stato ben esposto il principio di funzionamento del 5G e delle relative antenne ricetrasmissive.
Resto però dell’idea che oggigiorno viviamo continuamente immersi in onde elettromagnetiche, di lunghezza sempre più paragonabile alle dimensioni del corpo, e nonostante le potenze sono ridotte di certo non faranno bene alle nostre cellule…
Anche io mi aggiungo a tutti coloro che temono che il 5G possa creare ulteriori problemi alla salute dell’uomo. Amo la tecnologia e i suoi progressi. La tecnologia è alla base della mia fonte principale di guadagno. Ma credo anche che non ci siano studi adeguati sugli effetti del 5G sull’ambiente. Siamo già circondati da frequenze dannose e inquinamento. Se ci sono studi da parte di enti autorevoli indipendenti, vorrei saperlo.