Quale spettro di frequenze utilizzerà la tecnologia 5G e quali sono le differenze con il 4G?

Tuttavia, la natura ormai onnipresente della tecnologia wireless nelle applicazioni di consumo, automotive, industriali e persino del settore militare/aerospaziale ha trasformato il potenziale della tecnologia wireless cellulare da una piattaforma per le comunicazioni interpersonali a un ecosistema di rete wireless altamente flessibile. Tutto ciò è evidente se si considerano i cambiamenti delle funzioni e delle frequenze tra il 4G LTE e le tecnologie 5G che si stanno diffondendo. Questo articolo illustra i dettagli delle variazioni di prestazioni, frequenza e requisiti insiti nel passaggio dal sistema 4G LTE al 5G.

Applicazioni emergenti che cambiano l'uso dello spettro e le prestazioni della rete cellulare

Sebbene le precedenti generazioni di wireless cellulare fossero al servizio di applicazioni diverse dalla banda larga mobile, la maggior parte dei servizi cellulari 2G, 3G e ora 4G LTE sono progettati e destinati proprio alla banda larga mobile. Gli standard e le tecnologie delle generazioni precedenti di cellulari hanno supportato prevalentemente gli utenti di dispositivi a banda larga mobile nelle regioni urbane e suburbane, con un'enfasi minore nelle regioni rurali. L'obiettivo delle tecnologie 5G, tuttavia, va al di là del semplice funzionamento della banda larga mobile e offre miglioramenti chiave che consentono una gamma molto più ampia di applicazioni: telefonia mobile avanzata a banda larga (eMBB, Enhanced Mobile Broadband), comunicazioni ultra-affidabili a bassa latenza (URLLC, Ultra-Reliable Low-Latency Communications), comunicazioni macchina-macchina massive (MMC, Massive Machine-type Communications) e accesso wireless fisso (FWA, Fixed Wireless Access).

Telefonia mobile avanzata a banda larga (eMBB)

Le caratteristiche per cui il 5G eMBB si differenzia dalla banda larga mobile 4G sono gli obiettivi di rate dati estremo e di copertura urbana diffusa. Con la tecnologia eMBB l'IMT-2020 intende fornire uno standard che faciliti le velocità di download di picco fino a 20 Gbps e dei rate dati affidabili per gli utenti in ambiente urbano pari ad almeno 100 Mbps con solo 4 ms di latenza. Sebbene le attuali velocità della banda larga mobile 4G possano raggiungere velocità massime di centinaia di megabit al secondo, la maggior parte degli utenti urbani sperimenta velocità inferiori a 10 Mbps con latenze nell'ordine delle decine di millisecondi. Oltre al download rapido di video, il 5G eMBB consentirà casi d'uso che aprono la strada ad applicazioni di realtà aumentata e realtà virtuale in tempo reale, in tutto l'ambiente urbano.

Queste prestazioni richiedono aggiornamenti a tutta la struttura della rete cellulare, oltre che miglioramenti tecnologici ai telefoni. La maggior parte delle modifiche all'architettura di rete è attualmente in fase di realizzazione. Le principali società di telecomunicazioni stanno infatti distribuendo più small cell per attivare le prestazioni eMBB nei luoghi in cui le tradizionali architetture di macrocelle omogenee si sono rivelate inadeguate, quindi soprattutto negli ambienti urbani estremamente densi.

Comunicazioni ultra-affidabili e a bassa latenza (URLLC)

Sebbene alcune aree presentino prestazioni wireless cellulari che possono essere considerate di livello enterprise, la maggior parte dei sistemi cellulari attuali non è in grado di fornire i requisiti di affidabilità o latenza necessari alle applicazioni critiche, come veicoli autonomi, assistenza sanitaria via rete mobile, automazione di impianti aziendali o risposta alle emergenze. Il 5G URLLC mira a fornire comunicazioni altamente affidabili, sicure e a bassa latenza che garantiscano una latenza inferiore a 1 ms e siano sufficientemente affidabili da poter essere utilizzate in applicazioni che potrebbero determinare la vita o la morte di qualcuno.

Il miglioramento dell'affidabilità della rete cellulare e la riduzione della latenza implicano cambiamenti nel modo in cui vengono realizzati telefoni cellulari, stazioni base e reti. Questi miglioramenti includono nuove forme d'onda, hardware a latenza inferiore e, probabilmente, approcci di rete wireless che consentono agilità di frequenza, ridondanza e tipi di architettura di rete alternativi rispetto a una rete a stella.

Comunicazioni macchina-macchina massive (MMC)

Oggi, la maggior parte degli utenti wireless cellulari sono individui che utilizzano degli smartphone, ma le future reti cellulari saranno probabilmente dominate dai dispositivi IoT (Internet of Things) che comunicano tra loro, segnalano informazioni di sensori e agiscono in base a dati di controllo in aree urbane modernizzate, fabbriche, installazioni industriali e reti di trasporti. Gran parte, e forse la maggior parte, delle future comunicazioni cellulari avverrà tra macchine e ciò presuppone requisiti molto diversi rispetto a quelli pensati per degli utenti umani.

È probabile che i dispositivi diffusi per IoT e macchinari richiedano una gamma molto diversa di requisiti di comunicazione, rendendo impraticabile un unico protocollo di comunicazione wireless valido per tutti. Di conseguenza, è verosimile che i nuovi standard 5G includano metodi di protocollo di comunicazione adattabili, in modo che, ad esempio, sistemi come sensori a batteria con requisiti di bassa alimentazione e rate dati limitato possano utilizzare la stessa tecnologia di rete di robot autonomi caratterizzati da rate dati elevato e bassa latenza. Le generazioni cellulari precedenti si affidavano all'uso di bande di frequenza specifiche per determinate applicazioni, ma è poco probabile che questo metodo sia la soluzione per le generazioni cellulari future, poiché la congestione dello spettro rende ogni banda di frequenza più preziosa.

Accesso wireless fisso (FWA)

Le reti cellulari 3G e 4G hanno supportato, sebbene con scarso utilizzo, una gamma di sistemi di accesso wireless pseudo-fissi, con hotspot e modem cellulari. Tuttavia, il rate dati ottimizzato e la bassa latenza delle reti 5G consentono un caso d'uso che potrebbe rivelarsi interessante per le aziende: la fornitura di accessi wireless fissi (FWA) in competizione con altri servizi Internet per l'ultimo miglio. Con una maggiore ampiezza di banda e tecnologie avanzate per le antenne, molti esperti prevedono che le reti 5G saranno in grado di fornire prestazioni simili alla fibra e garantiranno ai mercati sviluppati e in via di sviluppo una rete Internet e connettività accessibili. Oltre alla tecnologia Massive MIMO (mMIMO, Massive Multi-Input Multi-Output) e ad antenne con funzionalità di beamforming, i servizi FWA richiedono anche un'ampiezza di banda superiore a quella disponibile nello spettro inferiore ai 6 GHz su cui si basano le attuali reti cellulari. Per fornire un servizio simile a quello della fibra saranno necessarie ampiezze di banda considerevoli, probabilmente superiori a 1 GHz. Di conseguenza, le reti cellulari 5G stanno includendo bande di frequenza a onde millimetriche per consentire nuove applicazioni e aumenti significativi dei rate dati rispetto alle generazioni precedenti.

Confronto tra le frequenze 5G e le frequenze 4G

Le prime reti cellulari GSM operavano a 850 MHz e 1900 MHz. Le reti 2G e 3G hanno cambiato il metodo di modulazione, ma utilizzavano per lo più le stesse porzioni dello spettro con bande di frequenza riorganizzate. Con l'evoluzione del 3G, sono state incluse bande di frequenza aggiuntive e uno spettro intorno ai 2100 MHz. Le tecnologie 4G LTE hanno introdotto altri spettri e bande di frequenza, cioè quelle intorno a 600 MHz, 700 MHz, 1,7/2,1 GHz, 2,3 GHz e 2,5 GHz. Tutte le precedenti frequenze della rete cellulare sono basate su licenze (Tabella 1).

I piani per le bande di frequenza 5G sono molto più complessi, poiché lo spettro di frequenza per il 5G inferiore ai 6 GHz si estende da 450 MHz a 6 GHz e le frequenze 5G a onde millimetriche si estendono da 24,250 GHz a 52,600 GHz e includono anche spettro privo di licenza. Inoltre, potrebbe essere presente spettro 5G nei range compresi tra 5.925 e 7.150 MHz e tra 64 GHz e 86 GHz. Di conseguenza, il 5G includerà tutto lo spettro cellulare precedente più una grande quantità di spettro nel range di frequenze inferiori ai 6 GHz e al di sotto dei 6 GHz lo spettro cellulare disponibile è molto più ampio di quello attuale (Tabella 2 e Tabella 3). La release 3GPP iniziale degli standard 5G New Radio Non-standalone (5G NR) includeva diverse bande di frequenza inferiori a 6 GHz, denominate FR1 (Tabella 2). La seconda release 5G 3GPP, successiva allo standard IMT-2020, includerà le bande di frequenza FR2 nello spettro delle onde millimetriche (Tabella 3).

Come già avvenuto con le generazioni cellulari e le release 3GPP precedenti, varie regioni e paesi adotteranno probabilmente uno spettro unico per gli usi 5G. La Federal Communications Commission (FCC, Commissione federale per le comunicazioni statunitense), ad esempio, sta valutando di aprire le frequenze da 5,925 GHz a 6,425 GHz e da 6,425 GHz a 7,125 GHz per usi senza licenza e sta considerando l'aggiunta di capacità di banda larga mobile nello spettro da 3,7 GHz a 4,2 GHz. Attualmente, la FCC sta mettendo all'asta spettro nei range da 27,5 GHz a 28,35 GHz, da 24,25 GHz a 24,45 GHz e da 24,75 GHz a 25,25 GHz per l'uso del 5G a onde millimetriche. La FCC potrebbe anche prendere in considerazione l'apertura di frequenze di banda media da 3,7 GHz a 4,2 GHz per il 5G e di bande di sicurezza pubblica a 4,9 GHz per l'accesso 5G. Inoltre, la FCC potrebbe anche rendere disponibili per il 5G delle bande aggiuntive nelle bande da 2,75 GHz, 26 GHz e 42 GHz. Nel dicembre 2018 la FCC ha annunciato un'azione di incentivazione nelle frequenze da 37,6 GHz a 38,6 GHz, da 38,6 GHz a 40 GHz e da 47,2 GHz a 48,2 GHz. La maggior parte degli altri paesi in via di sviluppo sta affrontando considerazioni simili sull'allocazione dello spettro per i casi d'uso del 5G.

Uno dei motivi principali per cui viene reso disponibile spettro aggiuntivo per gli usi 5G è rappresentato dai limiti fisici associati a velocità di elaborazione e ampiezza di banda. I piani di banda 4G disponevano di 5-20 MHz di ampiezza di banda per canale, mentre lo standard 5G FR1 consente tra 5 MHz e 100 MHz di ampiezza di banda per canale. Dato che l'ampiezza di banda è direttamente proporzionale alla velocità di elaborazione massima, l'aumento di 5 volte dell'ampiezza di banda comporta un aumento della velocità di elaborazione di circa 5 volte. Inoltre, la Release 15 3GPP ha stabilito nuove forme d'onda e l'aggiunta di π/2 BPSK come metodo di modulazione. Le forme d'onda aggiuntive sono la DFT-S-OFDM (Discrete Fourier Transform Spread Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) per FR1 e la CP-OFDM (Cyclic Prefix OFDM) per FR2.

Sebbene l'hardware, la tecnologia e l'infrastruttura di comunicazione RF siano disponibili e in grado di soddisfare alcuni dei requisiti delle specifiche iniziali relative a frequenza e prestazioni 5G, la maggior parte delle aspettative 5G è ancora al di là delle tecnologie attualmente accessibili. Le sfide da superare riguardano la messa a punto di hardware conveniente con il necessario funzionamento in frequenza, l'integrazione portatile/mobile e un'infrastruttura di rete densa e altamente distribuita. Con i servizi 4G LTE ancora distribuiti negli Stati Uniti e in altri paesi, ci vorranno probabilmente diversi anni prima che i servizi 5G oltre le capacità 5G FR1 siano attuabili.

Conclusione

Ogni nuova generazione di tecnologia cellulare ha apportato cambiamenti nelle bande di frequenza e nelle modalità operative. Da questo punto di vista non ci saranno differenze nello sviluppo delle tecnologie 5G. Ciò che è diverso, tuttavia, è la quantità di nuovo spettro di frequenze che viene aggiunto e dove si trovano tali frequenze nello schema dello spettro elettromagnetico. Inoltre, la richiesta di una maggiore ampiezza di banda sta anche spingendo i responsabili delle policy e i produttori di dispositivi a ottenere il massimo delle prestazioni dalle affollatissime bande di frequenza cellulari inferiori ai 6 GHz con una varietà di tecniche che aggregano più bande cellulari e aumentano l'ampiezza di banda dei singoli canali. In aggiunta, le applicazioni emergenti, come l'Internet of Things (IoT) e le comunicazioni Machine to Machine (M2M), incoraggiano il settore a studiare molteplici modalità operative affinché il 5G si adatti alle svariate applicazioni. Per molti aspetti, il 5G è progettato per diventare una soluzione modulare alle sfide della connettività wireless universale.

Tabella 1

Tabella 2

Tabella 3

Tabella 4

Risorse

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

GSA Spectrum for Terrestrial 5G Networks: Licensing Developments Worldwide (Dicembre 2018)