Spiegato: I Cinque Pilastri di Supporto del 5G

La prossima grande novità su Internet riguarda Internet stesso, beh, in un certo senso. Il 5G o quinta generazione è la prossima generazione di telecomunicazioni wireless, successore della quarta generazione (4G) o LTE. In effetti, non è la prima volta che le persone notano un’evoluzione del genere nell’industria delle telecomunicazioni. Apparentemente, la stessa cosa è successa quasi ogni decennio, seguendo la prima generazione (1G) – che ha dato origine a un sistema analogico per la trasmissione vocale, la seconda generazione (2G) – che ha aggiunto la possibilità di inviare voce e dati insieme, la terza generazione (3G) – che ha introdotto velocità internet in megabit e videochiamate, e la quarta generazione (4G) – che ha fornito un’esperienza di banda larga mobile vera e propria con streaming di contenuti HD.

Con la quinta generazione (5G) prevista per il 2020, si crede che migliorerà significativamente le velocità dei dati, aumenterà la densità di connessione, ridurrà la latenza e fornirà velocità internet in gigabit. Anche se è ancora in fase di sviluppo e non sarà disponibile per l’uso a breve, aziende come Nokia, Qualcomm, Ericsson, Samsung e Intel stanno spendendo enormi somme di denaro per ricercare e sviluppare il 5G. Ad oggi, a un certo livello, queste ricerche e sviluppi hanno dato i loro frutti, con Nokia che prevede di lanciare la sua piattaforma “5G first” mirata a fornire un servizio 5G end-to-end, Intel che afferma di consegnare laptop alimentati da 5G nel 2019 e Qualcomm che prevede di consegnare i suoi dispositivi Snapdragon X50 abilitati per il 5G nel 2019.

Con tutto questo potenziale, ci si aspetta che il 5G apra drasticamente opportunità per AR (Realtà Aumentata), VR (Realtà Virtuale) e IoT (Internet delle Cose). Il motivo per cui questi servizi saranno in grado di sfruttare al massimo il 5G è che una connessione 5G dovrebbe fornire velocità internet molto elevate e una latenza molto bassa (ritardo tra quando un messaggio viene inviato e quando viene ricevuto) – che è tutto ciò che è necessario affinché servizi come AR, VR e IoT funzionino adeguatamente.

Apparentemente, fornire internet ad alta velocità con latenza ridotta richiede di apportare modifiche al modo in cui i segnali vengono trasmessi e trasportati su lunghe distanze. Per questo motivo, i ricercatori hanno sviluppato varie tecnologie per migliorare il 5G. Tra queste tecnologie, le più importanti che sono considerate i cinque pilastri di una rete 5G sono-

1. Onde Millimetriche

La maggior parte dei dispositivi elettronici nelle nostre case opera su onde a radiofrequenza (RF), che si trovano sotto i 6GHz. Con sempre più dispositivi connessi a Internet ogni giorno, questa banda di frequenza sta iniziando a diventare sovraffollata, portando a problemi come velocità internet lente, alta latenza e più disconnessioni. Per risolvere questi problemi, i ricercatori stanno sperimentando l’uso di onde RF millimetriche più corte che tipicamente rientrano nell’intervallo di 30-300GHz. Il motivo per cui si utilizza questo intervallo di spettro RF è che non è mai stato utilizzato prima, il che significa che ha una larghezza di banda molto ampia da offrire per i numerosi dispositivi che abbiamo su Internet.

2. Piccole Celle

Sebbene l’uso delle onde millimetriche possa risolvere problemi di bassa larghezza di banda o altri problemi correlati, ha il suo insieme di problemi da cui i ricercatori devono trovare una via d’uscita. Per comprendere come funzionano le piccole celle, consideriamo un problema esistente con l’uso delle onde RF ad alte frequenze – molti di noi potrebbero essere a conoscenza del fatto che il Wi-Fi che utilizziamo per connetterci a Internet utilizza due bande di frequenza, 2.4 GHz e 5 GHz. Nella maggior parte dei casi, utilizziamo la banda di frequenza 2.4 GHz sulle nostre connessioni (abilitata per impostazione predefinita), poiché le onde a bassa frequenza tendono ad avere una maggiore portata rispetto alle onde ad alta frequenza. Il problema con le onde millimetriche è simile a questo problema, poiché stiamo utilizzando onde RF ad alta frequenza che sono deboli (hanno una portata breve) e non possiedono abbastanza potenziale per viaggiare su lunghe distanze senza attenuarsi.

Tuttavia, i ricercatori hanno trovato una soluzione a questo, che prevede l’installazione di migliaia di mini stazioni base a bassa potenza vicine tra loro rispetto alle stazioni wireless tradizionali, creando una rete di relay e rimbalzando i segnali per coprire lunghe distanze. Proprio come le onde millimetriche non possono viaggiare su lunghe distanze, non riescono nemmeno a penetrare oggetti come edifici, alberi, nuvole, ecc., il che causa la riflessione dei segnali su questi oggetti e la loro perdita. Per affrontare questo problema, le antenne delle piccole celle situate a breve distanza sarebbero effettivamente utili, poiché cambierebbero le stazioni base dell’utente quando si imbattono in un oggetto ostacolante per fornire un’esperienza fluida e ininterrotta.

3. Massive MIMO (Massive Input Massive Output)

L’attuale rete 4G utilizza stazioni base con una dozzina di porte per antenne, di cui otto porte per la trasmissione e quattro porte per la ricezione. D’altra parte, il nuovo standard 5G può supportare circa un centinaio di porte per adattare più antenne su un singolo array, il che aumenterebbe la capacità della rete consentendole di inviare e ricevere segnali con più utenti.

In poche parole, MIMO o multiple-input multiple-output si riferisce a reti wireless che utilizzano due o più trasmettitori o ricevitori per inviare e ricevere dati. Con numerose stazioni base nelle vicinanze e molto traffico in entrata e in uscita dalle stazioni base, c’è una grande possibilità di interferenza del segnale, che potrebbe portare a molta attenuazione e distorsione.

4. Beamforming

Per contrastare il problema dell’attenuazione e della distorsione del segnale causati dalla trasmissione omnidirezionale dei segnali da parte di centinaia di porte utilizzate sulle stazioni base alimentate da MIMO, i ricercatori hanno sviluppato un’altra tecnologia, chiamata beamforming. Simile ai segnali stradali che impediscono alle persone di collidere tra loro consentendo loro di prendere turni per attraversare la strada, il beamforming fa la stessa cosa, ma con i segnali e i pacchetti di rete. Si concentra su un fascio di segnale direttamente verso un utente anziché trasmetterlo in tutte le direzioni, creando simultaneamente un modello di trasmissione dei segnali in modo che un numero maggiore di utenti possa essere servito contemporaneamente senza alcuna perdita di segnale. Per questo, utilizza algoritmi sulle stazioni base per inviare più pacchetti attraverso la regione rimbalzandoli sugli oggetti circostanti per fornire il miglior percorso del segnale e quindi servire molti utenti utilizzando la tecnologia MIMO senza alcuna attenuazione e distorsione.

5. Full Duplex

Le attuali stazioni base utilizzate nelle reti 4G sono in grado di comunicare in half-duplex, che è un tipo di comunicazione in cui le parti connesse si alternano per comunicare tra loro. Il problema con questo tipo di comunicazione è che non supporta la comunicazione simultanea tra le parti connesse (comunicazione full-duplex). A causa di ciò, la stazione base invia o riceve segnali in un determinato momento per evitare interferenze. Fino ad ora, ci sono state due soluzioni per combattere questo problema: “utilizzare frequenze diverse” e “operazione a turni”.

Tuttavia, con la nuova rete 5G che utilizza onde millimetriche, i ricercatori devono trovare un modo per instradare i segnali in entrata e in uscita in modo che non si scontrino tra loro. Per questo, i ricercatori hanno sviluppato interruttori (composti da transistor) che deviano momentaneamente un segnale per prevenire collisioni e interferenze. E proprio come altre tecnologie che hanno alcuni svantaggi, il full-duplex non è diverso e ha il suo svantaggio: inviare e ricevere segnali utilizzando la stessa antenna può portare a quello che viene chiamato fastidioso eco, e per superare questo problema deve esserci un modo per creare una rete priva di eco fastidioso.

Con la connessione 5G, tecnologie come AR, VR e IoT si prevede che aumenteranno e diventeranno più comuni e facili da usare, il che altrimenti non sarebbe plausibile. Per comprendere il caso d’uso del 5G nell’avanzamento di queste tecnologie, consideriamo uno scenario in cui un medico deve eseguire un’operazione su un paziente situato a metà strada in tutto il mondo. Per questo, utilizza dispositivi VR e un assistente robotico situato vicino al paziente. Per rendere questa operazione un successo, è assolutamente necessario avere una rete senza ritardi, in modo che non ci sia latenza tra il momento in cui il medico invia un comando o un’operazione e il momento in cui i robot intervengono e eseguono l’operazione sul paziente.

In aggiunta ai progressi in AR, VR e IoT, gli altri principali vantaggi che ci si può aspettare immediatamente con una rete 5G rispetto alla connessione di rete esistente sono-

1. Internet ad alta velocità
2. Interfaccia a bassa latenza
3. Comunicazione migliorata tra macchine

Attualmente, il 5G è in fase di sviluppo e test per il lancio entro il 2020, con dispositivi compatibili che si prevede inizieranno ad arrivare alla fine dello stesso anno, e la rete sarà disponibile in modo diffuso in tutto il mondo entro il 2025.