Lo spazio è da sempre l'ultima frontiera delle tecnologie di comunicazione. Con l'aumento dell'attività in orbita, compresi gli sforzi ambiziosi di aziende private come SpaceX, aumenterà anche la pressione per la distribuzione di infrastrutture 5G fuori dal pianeta, ma la tecnologia dovrà essere solida e adeguata all'ambiente spaziale.
I satelliti sono la destinazione più ovvia per la tecnologia 5G, che ai consumatori sulla terra offrirà una latenza molto inferiore rispetto alle reti 4G esistenti. Fino a poco tempo fa, le comunicazioni via satellite erano indipendenti dal più ampio ecosistema delle reti mobili. Ma con l'integrazione dell'architettura 5G, i satelliti più grandi e moderni stanno diventando punti di contatto chiave nelle reti, che offrono un'ampia gamma di opzioni di connettività per supportare la guida autonoma, le flotte oceaniche, gli aerei e miliardi di dispositivi di piccole dimensioni connessi all'Internet delle cose (IoT), in particolare nelle aree rurali più remote.
Anche se in numero molto inferiore rispetto ai vari satelliti lanciati in orbita da aziende private, negli ultimi anni si è registrato anche un aumento del numero di veicoli spaziali che vanno in orbita. Non si tratta più soltanto di viaggi di rifornimento o del trasporto di personale della Stazione Spaziale Internazionale: si è parlato persino di realizzare un hotel nello spazio. E di certo gli ospiti vorranno una connessione Wi-Fi affidabile nelle loro camere in assenza di gravità.
Anche le tecnologie più avanzate prima o poi raggiungono il consumatore medio, è quindi inevitabile che le innovazioni 5G create per lo spazio arrivino sulla Terra. In ogni caso, i componenti di rete 5G devono essere in grado di sopportare a lungo le asperità di un ambiente extraterrestre senza interventi di manutenzione. Questi requisiti influiranno sulla progettazione e porteranno a un miglioramento delle capacità dei semiconduttori.
Vantaggi terrestri delle reti 5G extraterrestri
I satelliti di prossima generazione avranno un ruolo chiave nel supportare l'infrastruttura 5G globale, fornendo larghezza di banda aggiuntiva per applicazioni a uso intensivo di dati. Nel frattempo, i provider di reti mobili stanno aggiornando le apparecchiature a terra per rendere l'infrastruttura a prova di futuro, inclusa la capacità di ricevere segnali 5G trasmessi dallo spazio, per migliorare l'esperienza utente dei clienti wireless.
La clientela è molto variegata: dai gamer che utilizzano dispositivi mobili agli utenti smartphone che trasmettono video 4K in streaming su una rete cellulare, ma i satelliti 5G possono supportare anche dispositivi IoT per la domotica, inclusi elettrodomestici e sistemi di sicurezza. Le aziende approfittano del supporto extraterrestre al 5G per monitorare le spedizioni tramite container, i medici saranno in grado di eseguire interventi di telechirurgia e le aziende di servizi pubblici ed energetici potranno monitorare in tempo reale lo stato di generatori, tubazioni del gas e oleodotti. L'architettura 5G nelle comunicazioni satellitari comporterà notevoli vantaggi per i veicoli autonomi e i dispositivi IoT in tutto il mondo.
Mentre le apparecchiature 5G sono ancora in fase di distribuzione a terra, aziende del calibro di Omnispace e Lockheed Martin testano le reti 5G nello spazio per cercare di integrarle nelle infrastrutture terrestri. Nel frattempo, Northrup Grumman e la NASA collaborano a una verifica concettuale del 5G nello spazio, incluso un test della durata di due settimane di un'unità di comunicazione integrata nel veicolo spaziale Cygnus di Grumman.
Per incorporare componenti di rete 5G, nei dispositivi a terra come in quelli destinati allo spazio, entrano in gioco considerazioni di progettazione specifiche. Gli ultimi andranno ad aggiungersi ai miliardi di utenti di dispositivi mobili previsti per i prossimi anni e questo farà aumentare notevolmente la domanda di ampiezza di banda.
Infrastruttura adeguata all'ambiente spaziale per i segnali 5G
Per la realizzazione dell'architettura 5G nello spazio, che si tratti di satelliti o altri veicoli spaziali, è necessario tenere presenti alcuni fattori di progettazione chiave.
La densità elevata di così tanti dispositivi che condividono i segnali 5G metterà a dura prova l'ampiezza di banda dello spettro, che è una risorsa finita. Potrebbe portare a interferenze in radiofrequenza che, a loro volta, influiscono sul corretto funzionamento di satelliti, aeroplani e altre tecnologie aerospaziali. Visto il numero di satelliti diretti nello spazio, gli operatori esistenti, ad esempio gli operatori di satelliti meteorologici, temono che i nuovi segnali 5G possano interferire con le loro frequenze. E poiché la maggior parte delle reti 4G commerciali ha occupato tutte le bande disponibili per il sistema duplex a divisione di frequenza (FDD), la maggior parte delle reti 5G utilizzerà bande del sistema duplex a divisione temporale (TDD), che hanno requisiti unici e sono soggette a interferenze di diverso tipo che potrebbero influire sulla latenza e le prestazioni della rete.
L'architettura TDD utilizza una banda di frequenza singola per la trasmissione e la ricezione e questo rappresenta una vantaggio rispetto al sistema FDD. Tuttavia, i progettisti si trovano già a dover affrontare interferenze incrociate man mano che il 5G viene implementato nelle stazioni di base a terra. Le interferenze si verificano quando una stazione trasmette e un'altra riceve sulla stessa banda di frequenza allo stesso tempo. È possibile evitare il problema assicurandosi che tutte le stazioni di base trasmettano o ricevano simultaneamente.
La potenza più o meno elevata delle stazioni di base all'aperto è determinante. Poiché crea migliori condizioni di propagazione, l'interferenza incrociata può essere significativa quando una stazione di base uplink subisce l'interferenza dal downlink di un'altra stazione di base. L'aggiunta di altre stazioni 5G, anche se si trovano nello spazio, rende più complessa la gestione delle interferenze incrociate.
Man mano che la componente spaziale acquisisce rilevanza, sarà necessario trovare soluzioni adatte alle condizioni estreme che le soluzioni 5G dovranno affrontare in orbita. Le apparecchiature della stazione di base devono essere robuste, ma lo spazio impone requisiti ambientali complessi, quali caldo e freddo estremi, forti vibrazioni, pressioni elevate e così via, a seconda che l'apparecchiatura sia in transito o in azione in orbita. Aerei commerciali e altre applicazioni militari hanno aperto la strada ad alcune innovazioni su questo fronte, ma la realizzazione dell'architettura 5G per lo spazio imporrà la necessità di ulteriori progressi.
Non tanto perché i sistemi 5G siano diversi nello spazio, quanto piuttosto perché devono essere alloggiati e connessi in modo diverso. Ad esempio, devono essere in grado di sopportare il calore sprigionato durante il lancio per non bruciare nell'atmosfera. Ciò significa che l'architettura 5G richiede una schermatura termica in grado di proteggere senza interferire con il funzionamento. Per evitare lo scioglimento o la fusione dei componenti sono necessari sistemi di raffreddamento efficaci e compatti e una gestione termica che ne anticipa l'uscita o l'ingresso nell'atmosfera. Inoltre, va garantito il funzionamento in orbita per lunghi periodi di tempo.
Fattori da prendere in considerazione nella progettazione per lo spazio
Indipendentemente dai sistemi elettronici creati per l'uso nello spazio, occorre considerare anche tutti i connettori e i cavi di collegamento, inclusi i componenti di rete 5G. Gli alloggiamenti di connettori e cavi, così come i metalli dei contatti, sono fondamentali per adattare l'elettronica e i componenti di rete 5G allo spazio, in modo che possano gestire intensità e ondulazioni di corrente elevate e temperature estremamente basse una volta in orbita, rispettando comunque i requisiti di velocità, latenza e prestazioni. I connettori dell'era spaziale e i relativi alloggiamenti dovranno avere una qualità superiore anche a quella militare.
Monitorare lo stato di tutti questi componenti di rete 5G sarà ancora più importante che a terra. La progettazione elettronica integrata si è già spostata verso sistemi più avanzati di monitoraggio dello stato dei velivoli, per consentire ai piloti di comprendere e compensare eventuali malfunzionamenti. Nello spazio, tutto questo è altrettanto importante e ancora più complesso perché richiede il funzionamento simultaneo di una grande quantità di sensori adatti a tali condizioni e, per questo, molto costosi. A rendere il tutto più difficile c'è il fatto che i sistemi 5G richiederanno una maggiore ridondanza dal momento che, anche se è possibile diagnosticare un problema, le riparazioni in orbita sono difficili da effettuare.
Conclusione
Lo sviluppo delle reti 5G è ancora nelle sue fasi iniziali, sia a terra che nello spazio. E anche se siamo ben lontani dall'avere idea di come sarà il 6G, la Cina ha affermato di aver lanciato il primo satellite 6G nello spazio con compiti di osservazione del pianeta e test di un carico di comunicazione terahertz ad alta frequenza che potrebbe inviare dati a velocità molto superiori al 5G.
Lo spazio è da sempre avanguardia e motore del progresso tecnologico. L'architettura 5G in orbita è necessaria, ciò significa che occorre capire come far funzionare e durare nello spazio le reti 5G. Come spesso è accaduto, le innovazioni per lo spazio torneranno poi a integrare e migliorare le infrastrutture 5G sulla Terra.
