Di Jeremy Cook
Lo spettro delle radiofrequenze (RF) ci circonda, è invisibile e trasmette segnali naturali e artificiali a frequenze sbalorditive. Questo articolo risponde alla domanda "Cosa sono le radiofrequenze?" e analizza il modo in cui le autorità di regolamentazione operano per garantire un accesso corretto a questa risorsa limitata. Vedremo inoltre in che modo il 5G si inserisce in questo quadro.
Fisica delle radiofrequenze
Nella sua forma più elementare, un segnale elettrico variabile su un'antenna può produrre oscillazioni elettromagnetiche (cioè onde RF). Tali oscillazioni possono essere segnali non intenzionali (potenzialmente in grado di causare interferenze con altri dispositivi) o intenzionali e accuratamente modulati tanto da poter essere ricevuti da altre antenne e interpretati come informazioni utilizzabili. La modulazione di ampiezza (AM), ad esempio, utilizza una serie di onde a frequenza fissa, come una cosiddetta onda portante, modificando l'ampiezza di tali onde in serie come segnale modulato.
Lo spettro RF può essere definito come delle onde elettromagnetiche che oscillano tra 3 Hz e 3.000 GHz e ciò offre a tale spettro un'ampia gamma di caratteristiche e casi d'uso. Si consideri che un'onda portante da 3 Hz produce tre onde elettromagnetiche complete al secondo e che il segnale modulato che "cavalca" questa portante è tipicamente di frequenza più lenta.
Sebbene siano in gioco diversi fattori, il rate dati di un segnale modulato che utilizza una portante da 3 Hz sarà estremamente lento, probabilmente espresso nell'ordine dei bit/secondo o anche meno. All'altra estremità dello spettro, un'onda portante da 3.000 GHz consentirà un segnale modulato in modo molto più veloce. Tra questi due estremi esiste una vasta gamma di valori intermedi (e più pratici). Questa gamma consente i rate dati ad alta velocità che diamo ormai per scontati nelle comunicazioni Wi-Fi e cellulari, oltre alle tradizionali radio AM ed FM.
Le radiofrequenze sono legate alla velocità della luce e inversamente proporzionali alla lunghezza d'onda, espressa tramite l'equazione:
velocità della luce = lunghezza d'onda x frequenza
La velocità della luce (che misura circa 3 x 10^8 m/s) resta invariata, quindi all'aumentare della lunghezza d'onda di un segnale RF, la frequenza diminuisce proporzionalmente e viceversa. Un segnale RF a frequenza relativamente alta ha una lunghezza d'onda minima, mentre un segnale RF a bassa frequenza ha una lunghezza d'onda maggiore.
Lo svantaggio dei segnali ad alta frequenza e rate dati elevato è che, se è vero che possono trasmettere molte informazioni, seppur su una distanza limitata, questi segnali vengono rapidamente assorbiti dall'atmosfera e dagli oggetti circostanti. Per fare un semplice esempio, si consideri come i rate dati Wi-Fi da 2,4 GHz siano leggermente più lenti rispetto alle loro controparti da 5 GHz, ma possono essere ricevuti a una distanza maggiore.
All'altro estremo dello spettro delle trasmissioni a lunga distanza e a basso rate dati, i segnali nella gamma inferiore a cento hertz vengono utilizzati per comunicare con i sottomarini, poiché sono in grado di penetrare le profondità dell'oceano. Il loro svantaggio principale è un rate dati estremamente basso. L'altro aspetto da considerare è che lavorare con lunghezze d'onda RF maggiori richiede antenne proporzionalmente più lunghe.
Segnali RF e relativa regolazione per evitare interferenze
Poiché esiste solo una gamma di frequenza fissa al cui interno è ragionevolmente possibile effettuare comunicazioni RF, le onde radio del mondo sono, per definizione, una risorsa limitata. La finitezza della larghezza di banda deve essere sembrata pura teoria (se considerata) ai pionieri delle radiofrequenze all'inizio del XX secolo, ma oggi i segnali RF vengono utilizzati per una gamma molto vasta di tecnologie e devono essere attribuiti con attenzione. Quando i segnali si sovrappongono per necessità (ad esempio, il canale radio a 97,1 MHz a New York City e la stessa frequenza ad Austin, o i miliardi di dispositivi Bluetooth in tutto il mondo), vengono applicati dei limiti di potenza per ridurre al minimo le interferenze.
Si consideri quanti dispositivi intorno a noi trasmettono e ricevono intenzionalmente segnali RF. Gli smartphone hanno solitamente almeno quattro modalità RF: Wi-Fi, Bluetooth, cellulare e GPS. Oltre a ciò, esistono moltissimi trasmettitori RF non intenzionali, compresi tutti quei dispositivi che vanno dalle lampadine ai motori elettrici ai cablaggi.
Per fortuna, i segnali RF a livello mondiale, in genere, non si intralciano a vicenda grazie alle indicazioni di gruppi come International Telecommunication Union (ITU), Federal Communications Commission (FCC) e National Telecommunications and Information Administration (NTIA). Queste organizzazioni dividono lo spettro in blocchi utilizzabili. Sebbene lo spettro sia limitato, a causa del massiccio utilizzo di questa risorsa, l'intervallo utilizzabile si estende comunque da 3 Hz a 3000 GHz (ovvero 3.000.000.000.000 Hz). La Tabella online ufficiale delle attribuzioni delle frequenze della FCC è un testo altrettanto esteso che conta ben 181 pagine.
Come funziona il 5G con le bande di frequenza?
Le persone raramente si interessano alle complessità dei dispositivi RF, si aspettano semplicemente che funzionino, un po' come succede con la corrente elettrica quando ci si collega a una presa. Tuttavia, forse a causa della martellante promozione del 5G nelle pubblicità degli operatori telefonici, le radiofrequenze, e in particolare il 5G, fanno ormai parte della nostra coscienza collettiva. Il 5G promette rate dati migliori e latenza minore per il trasferimento dati cellulare, ma è stato anche oggetto di controversie, compresi i timori che possa interferire con gli altimetri radar utilizzati negli aeroplani.
Preoccupazioni a parte, il 5G è ora implementato in gran parte degli Stati Uniti senza grossi problemi. Il 5G non utilizza una singola banda di frequenza, ma, come spiegato qui, opera su tre gamme di frequenza distinte. Le alte frequenze vengono utilizzate per rate dati elevati a distanze brevi da un trasmettitore, mentre le basse frequenze trasmettono su distanze maggiori con rate dati inferiori.
Inoltre, il 5G non è la stessa cosa del Wi-Fi a 5 GHz, una tecnologia RF in gran parte non correlata, ma con un nome simile. Per confondere ulteriormente le idee, il Wi-Fi 5 utilizza la frequenza a 5 GHz per la trasmissione, ma il 5 del nome, in realtà, sta per wireless di quinta generazione. E nuovi standard Wi-Fi continuano a essere introdotti: il Wi-Fi 6E estende la segnalazione nella gamma dei 6 GHz resa disponibile di recente, mentre il Wi-Fi 7 utilizza le stesse bande del 6E, ma consente il funzionamento multi-link e velocità fino a 46 Gbps. Scopri di più sulle differenze tra la tecnologia 5G e quella a 5 GHz.
Banda RF: una risorsa limitata che deve essere attribuita con attenzione
Sebbene le radiofrequenze siano destinate a non esaurirsi mai come succederà prima o poi col petrolio o coi metalli delle terre rare, la banda da 3 Hz a 3.000 GHz è tutto ciò con cui possiamo operare. Questa gamma era la stessa già agli albori delle comunicazioni radio alla fine del 1800 e, a meno che non si verifichi un sostanziale cambiamento nel modo in cui comprendiamo la fisica, sarà la stessa anche in futuro.
Per utilizzare correttamente questa risorsa, abbiamo bisogno di un'attenta attribuzione delle frequenze con adeguati limiti di potenza e innovazioni tecnologiche (come la trasmissione QPSK) che ci permettano di trasferire più dati senza occupare altro spazio nelle frequenze.
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