Il futuro della radiocomunicazione mobile

5G – non solo velocità

L’imminente tecnologia 5G introduce nella radiocomunicazione mobile velocità e capacità molto più elevate, consentendo applicazioni del tutto nuove per industria, servizi pubblici e utenti privati.

Testo: Urs Binder, immagini: ©iStock, 27 ottobre 2017

«Dal 2020 in poi navigheremo in rete a velocità fino a 100 volte superiori» – era pressappoco quanto annunciavano i titoli agli inizi dell’estate del 2017, riferendosi al 5G. Si parla di fino a 30 Gbit/s per cella radio, mentre l’attuale tecnologia 4G LTE Advanced offre teoricamente, a seconda degli standard e delle circostanze, non più di 100 - 1000 Mbit/s. Tuttavia la maggiore velocità è solo uno degli aspetti del 5G. L’imminente standard della quinta generazione riunisce infatti un numero svariato di tecnologie e opzioni per le più differenti applicazioni – dagli smartphone privati alle reti industriali globali. In questo senso caratteristiche quali tempi di reazione rapidi assumono la stessa importanza della velocità di trasmissione vera e propria.

Il tutto ha inizio con New Radio

Una componente essenziale del 5G è rappresentata dall’efficienza e capacità sull’interfaccia radio. Ogni cella 5G dovrebbe fornire a un gran numero di dispositivi una larghezza di banda molto più alta di quanto finora consentito con l’attuale tecnica di telefonia mobile. Rispetto alle reti LTE odierne, il 5G consentirebbe per ogni cella radio una velocità di trasmissione di dati di 10–30 volte maggiore e una capacità all’incirca 1000 volte superiore. In tutto il mondo si possono quindi attivare simultaneamente fino a 100 miliardi di dispositivi mobili interconnessi, comprese le «cose» nell’Internet of Things. Anche l’efficienza energetica aumenta notevolmente: Nei terminali si prevede infatti una riduzione del consumo di energia a un millesimo per bit trasmesso, consentendo così autonomie energetiche di fino a 10 anni.

È impossibile soddisfare questi requisiti con le bande di frequenza finora a disposizione e operanti praticamente a pieno carico nell’ordine di 800 MHz - 2,1 GHz. «New Radio» è la parola magica. Il 5G utilizza nuove bande di frequenza superiori. Inizialmente sono previste frequenze a partire da 3,4 GHz mentre per il futuro si stanno vagliando bande di frequenza ancora superiori, a partire da 24 GHz, la cui autonomia diminuisce all’aumentare della frequenza per via della legge di propagazione delle onde. Una rete 5G basata su onde millimetriche di questo tipo richiede pertanto un gran numero di «microcellule», paragonabili nelle aree urbane a mini-stazioni base distribuite su ciascun lampione.

Massive MIMO e beamforming

Per garantire servizi di telefonia mobile 5G affidabili e operativi anche nei casi in cui occorre rifornire molte utenze mobili, le reti 5G si avvalgono di ulteriori componenti tecniche. La più importante è il «Massive MIMO» (Multiple Input, Multiple Output) per il quale le stazioni base vengono equipaggiate con decine e centinaia di unità trasmittenti e riceventi. Le unità comunicano simultaneamente, nella stessa gamma di frequenze, con innumerevoli dispositivi mobili separati spazialmente. Qui ci si avvale qui delle condizioni ambientali quali la riflessione delle onde radio sugli edifici e i conseguenti ritardi e molteplici percorsi di trasmissione. La stazione base può così gestire specificatamente singoli dispositivi – si parla in questo caso di «beamforming».

Quando arriva il 5G?

Le tecnologie 5G e i rispettivi standard sono ancora in fase di sviluppo. Non ci sarà un «Giga-Release» della portata di un Big Bang, che introduce in un colpo tutte le opzioni di 5G. Il processo di standardizzazione avverrà invece per gradi. Un primo lancio per la nuova interfaccia radio è atteso per la fine del 2017. Conformemente all’attuale roadmap, lo standard New Radio dovrebbe essere approvato entro la fine del 2019.

Swisscom conta di potere offrire i servizi 5G dalla fine del 2018. Una pietra miliare verso l’era del 5G sarà l’aggiudicazione delle frequenze da parte dell’UFCOM – quest’estate l’UFCOM ha avviato una consultazione pubblica per chiarire le modalità della procedura di aggiudicazione. È pensabile che si assisterà nuovamente a un’asta delle bande di frequenza come per l’UMTS.

Ma perché poi il 5G?

Le reti 5G trovano a grandi linee applicazione in quattro scenari: servizi pubblici di telefonia mobile con larghezza di banda e capacità aumentate, Massive IoT, connettività critica locale e Fixed Wireless Access.

Maggiore larghezza di banda e capacità
New Radio porta maggiore velocità e provvede a servizi di telefonia mobile per più dispositivi per cella radio. Ciò incide direttamente e in misura sostanziale sulla qualità, con tempi di download più brevi e minore sfruttamento della rete. E consente applicazioni del tutto inedite, ad esempio la trasmissione di eventi sportivi e concerti in stile Virtual Reality, per cui seduti comodamente a casa sul divano, si ha la sensazione di essere allo stadio e si può scegliere liberamente la prospettiva da cui assistere all'evento. Per ottenere ciò devono essere trasmesse quantità enormi di dati senza inconvenienti.
La tendenza è comunque quella di grandi volumi di dati: basti pensare che attualmente gli utenti privati di telefonia mobile «consumano» in media circa 3 gigabyte al mese. Se si considerano solo i Millennials, il fabbisogno si aggira già sui 35 GB al mese, con un raddoppio previsto ogni 12–18 mesi. Volumi smisurati di dati sono anche il risultato di applicazioni industriali quali analisi video in real time con immagini ad alta frequenza per il monitoraggio di processi produttivi.
Inoltre, l’aumento di efficienza e capacità è la base imprescindibile per la connettività critica ad ampio raggio: grazie a standard unitari, nazionali e globali, il 5G garantisce una qualità elevata di servizi su grande scala. Di fronte a eventi di grande portata, le organizzazioni di pronto intervento potranno confidare su solidi servizi di telefonia mobile, senza che occorra realizzare ogni volta una rete dedicata extra, come nel caso attuale. Anche le auto interconnesse approfittano dell’affidabilità e della comunicazione in tempo reale grazie a tempi di latenza ridotti. Il messaggio «Mandria di bovini sull’autostrada a 500 metri» non arriva quando le mucche ci stanno quasi di fronte.
Massive IoT
Le applicazioni nell’internet delle cose generano in totale, con i loro innumerevoli punti dati, grandissimi volumi di dati – quasi un parco macchine distribuito in tutto il mondo con centinaia di sensori in ogni macchina. Questo tipo di applicazioni industriali richiedono inoltre, in particolare, consumi energetici ridotti e brevi tempi di latenza. E non solo a livello globale, bensì anche all’interno di uno stabilimento di produzione.
Un'interconnessione rapida e affidabile delle macchine consente ad esempio il controllo in tempo reale del processo produttivo, basti pensare alle prognosi preventive di guasto ottenute grazie alla sorveglianza ininterrotta di ogni singolo componente. Con tale presupposto è possibile decidere se avviare poi un lotto di produzione successivo o se occorre invece una riparazione preventiva, al fine di evitare un dispendioso arresto durante la produzione.
Connettività critica locale
Immaginiamoci il capannone di una fabbrica con una linea di produzione lunga cento metri. Nel capannone viene realizzato in media un prodotto diverso al mese e questo richiede una ridisposizione e una nuova configurazione delle macchine. Interconnessioni cablate di tipo classico (Wireline) richiedono ogni volta anche la posa di nuovi cavi. Qualora per l’interconnessione dell’area aziendale si disponesse invece di una rete su base radio che soddisfacesse gli elevati requisiti industriali, la configurazione sarebbe facile da adeguare. Il provider della rete 5G deve comunque affrontare nuove sfide. Gli aspetti tipici del mondo Wireline, quali sicurezza e delimitazione dalla rete pubblica, acquisiscono di fatto grande importanza anche nella rete di radiocomunicazione mobile.
Fixed Wireless Access
In regioni isolate e topograficamente difficili da raggiungere, una rete 5G può provvedere al fabbisogno di telefonia e internet della popolazione al posto di cavi in rame o in fibra ottica. In Svizzera, dove la maggior parte delle località sono facilmente accessibili, l’importanza del Fixed Wireless Access è limitata.

Nessun timore del 5G

A ogni nuova tecnologia si pone per le aziende l’interrogativo sul momento giusto per gli investimenti sostenibili. Pur essendo molte aziende ancora restie, è arrivato il momento di confrontarsi con il 5G. Il miglior rimedio è quello di mostrarsi curiosi e valutare le possibilità. Adesso si tratta di cogliere l’opportunità ed esaminare insieme all’operatore di telefonia mobile il potenziale offerto dal 5G per la propria organizzazione. Non si esclude tuttavia che il 5G si riveli inizialmente inadeguato per l’azienda – un’opzione anche questa da non scartare.

L’intento è quindi di prepararsi all’era del 5G con idee e progetti iniziali e, come per una trasformazione nel cloud, il «passaggio al 5G» non deve coinvolgere da subito l’intera azienda. Per i progetti industriali si possono utilizzare tecnologie quali Narrowband IoT, che funzionano già oggi con il 4G e potranno essere perfettamente integrate in un secondo momento nella rete 5G. Il 5G non rappresenta infatti una rottura radicale, dove tutto ciò che è precedente diviene obsoleto, bensì un perfezionamento organico, pur completo, della rete di radiocomunicazione mobile attuale.