Nozioni fondamentali su 5G

Gli operatori mobili hanno appena commercializzato l'LTE e alcune delle caratteristiche che hanno fatto dell'LTE una tecnologia 4G vera e propria l'hanno fatto nelle reti dal vivo. Perché, dunque, l'industria sta già discutendo del 5G?

Il 5G è davvero all'orizzonte e riveste chiaramente un ruolo importante nella ricerca e nel pre-sviluppo a livello mondiale. Le richieste costanti di velocità dati più elevate e di connessioni più rapide da parte degli utenti richiedono molto più capacità di rete wireless, soprattutto nelle aree ad alta densità. L'industria si aspetta la richiesta di una velocità dati per utente 100 volte più alta e una capacità maggiore di 1000 volte e ha definito questi obiettivi per la quinta generazione di reti mobili (5G). Un esempio sono gli eventi sportivi o i concerti, dove moltissimi spettatori vogliono condividere la loro esperienza istantaneamente attraverso la condivisione di immagini o video. L'evento in sé potrebbe anche offrire ulteriori servizi agli spettatori, quali le informazioni di base sulla musica che viene suonata o i replay al rallentatore di sequenze sportive.

Driver 5G

Oltre alle infinite richieste relative a un'offerta maggiore, ossia una maggiore velocità dati negli orari di punta, una maggiore capacità, una migliore efficienza dei costi, soprattutto la nuova parola d'ordine Internet delle cose (IoT, Internet of Things) propone nuove sfide da affrontare. Si prevede che milioni di dispositivi "parleranno" l'uno con l'altro: tra questi da macchina a macchina (M2M), da veicolo a veicolo (V2V) o casi d'uso x-2-y più generali.

Questo imporrà requisiti diversi rispetto a quelli attualmente affrontati dai sistemi 4G, che sono stati ottimizzati per fornire l'accesso ai dati a banda larga mobile. Ma non solo il numero di dispositivi è fondamentale: un'affidabilità elevata, una durata molto lunga della batteria (anni invece di giorni) e tempi di risposta molto ridotti (latenza) richiedono un'ulteriore "G" nel futuro. La riduzione del consumo di energia nelle reti cellulari è un altro requisito importante. Ciò è particolarmente difficile poiché la capacità e la velocità dati di picco devono essere aumentate allo stesso tempo.

Il lavoro di ricerca in corso sta rivelando una serie di componenti tecnologici che mirano a raggiungere gli obiettivi ambiziosi, tra cui:

  • Onde millimetriche: L'esplorazione delle gamme di frequenza più elevate permetterebbe l'uso di larghezze di banda superiori, che porterebbero a maggiori velocità dati di picco e capacità del sistema.
  • Nuove air interface: L'air interface LTE basata su OFDM non sarà adeguata per alcuni casi di utilizzo e quindi un determinato numero di nuovi candidati di air interface è in discussione.
  • MIMO massiccia/formazione del fascio, antenne attive: In particolare a frequenze più elevate, l'aumento significativo della perdita nel percorso di propagazione deve essere compensata da guadagni di antenna più elevati. Inoltre, gli algoritmi di formazione del fascio adattativi - anche su una base di dispositivo per utente - sono necessari e possono essere attuati utilizzando la tecnologia dell'antenna attiva.
  • Comunicazioni da dispositivo a dispositivo (D2D): già un caso d'utilizzo esistente per soddisfare le esigenze di pubblica sicurezza mediante LTE. L'attuazione di comunicazioni D2D potrebbe anche consentire una bassa latenza per gli scenari specifici.
  • Virtualizzazione della rete (rete basata su cloud): L'obiettivo è quello di eseguire l'hardware dedicato attuale come funzionalità software virtualizzata su hardware di uso generale nella rete centrale. Questo è esteso alla rete radio separando stazioni base in unità radio e unità in banda base (ad esempio collegate tramite fibra) e a riunire le unità in banda base per gestire un elevato numero di unità radio.
  • Controllo della divisione e user plane e/o disaccoppiamento downlink e uplink: l'obiettivo è quello di impiegare reti eterogenee, rendendo possibile il controllo di tutti i dispositivi degli utenti su un livello macro, mentre i dati utente sono forniti in modo indipendente tramite una piccola cella.
  • Strategie leggere MAC e RRM ottimizzate: Considerando l'elevato numero di cellule potenzialmente molto piccole, la gestione delle risorse radio deve essere ottimizzata. Le strategie di pianificazione richiederebbero potenzialmente stack di protocolli più snelli, che potrebbero anche essere impiegati in scenari non coordinati.

È significativo che il programma di ricerca europeo 5G si chiami Horizon 2020. Dà un'idea della linea temporale prevista per la diffusione di questa nuova tecnologia. Tra alcune delle più importanti attività di ricerca 5G (che non hanno la pretesa di essere complete) vi sono:

  • Progetti di ricerca finanziati dall'Unione Europea (UE)
    • Progetto di ricerca 5GNow nell'ambito del 7° programma quadro (PF7), iniziato nel settembre 2012
    • Progetto di ricerca METIS nell'ambito del 7° programma quadro (PF7), iniziato nel novembre 2012
    • Horizon 2020, il programma UE di 7 anni di ricerca e innovazione (2014-2020). È l'8° programma quadro (FP8)
    • 5GPPP, il progetto di partnership pubblico privato dell'infrastruttura 5G è un'iniziativa congiunta di 1,4 miliardi di Euro tra il settore ICT europeo e la Commissione europea
  • Centro di innovazione 5G: Centro di ricerca 5G nel Regno Unito, avviato nel novembre 2013
  • Cina: IMT-2020 e Future Forum (febbr. 2013)
  • Taiwan: L'Ufficio della scienza e della tecnologia collabora con il Consiglio nazionale della scienza e con il Ministero degli affari economici su un progetto per lo sviluppo 5G nel 2014
  • Forum 5G: Sistema di collaborazione industria-accademia-R&S, istituito nel maggio 2013
  • Giappone: ARIB ha fondato un nuovo gruppo di lavoro (2020 e oltre ) a settembre 2013
  • USA: Diversi progetti di ricerca guidati dalle università, sponsorizzati da operatori leader nel settore, come ad esempio il centro di ricerca NYU WIRELESS della New York University a Brooklyn, NY (USA), che sta diffondendo gli sforzi del settore in termini di propagazione del canale, nonché la University of Texas a Austin, la Stanford University e la University of California a San Diego (USA)

5G ha iniziato a livello globale e comprende numerosi progetti in ricerca e livello precedente alla R&S. Dagli studi in corso appare evidente che frequenze più elevate (> 6 GHz) avranno un ruolo che consente larghezze di banda e velocità dati più elevate. Ma 5G non è solo alta frequenza e maggiore larghezza di banda. La soluzione sarà l'integrazione delle tecnologie potenzialmente dirompenti con l'impiego di tecnologie LTE/LTE-A (e/o WLAN), tra cui le strategie di offloading. Diventerà inoltre essenziale soddisfare casi di utilizzo D2D e IoT.

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