In questo capitolo si affrontano rapidamente alcuni degli aspetti tecnologici sui quali si basa la forza del 5G, cercando anche di collegarli all’impatto nei vari settori di interesse (IoT, Industria 4.0, smart city, …)
Massive MIMO
La tecnologia MIMO (Multiple Input – Multiple Output) nasceva già col 4G, con l’obiettivo di aumentare gli accessi contemporanei. Con il 5G si evolve ulteriormente diventando massive MIMO e moltiplicando ulteriormente gli accessi.
Fisicamente, le antenne (porte) di bassa potenza vengono moltiplicate e drasticamente ridotte di dimensione per poterle assemblare in un’unica stazione; saranno contenute a decine in poche decine di centimetri quadrati di spazio e gestite tramite algoritmi estremamente potenti. Massive MIMO consentirà alla nuova rete di aumentare drasticamente l’efficienza spettrale (= numero di bit trasportabili al secondo per unità di frequenza), che passerà dai 10 Bps/Hz attuali a 140 Bps/Hz. Questa soluzione consentirà, a tutti quei sistemi che ne hanno necessità, di gestire in locale una miriade di dati contemporaneamente (guida autonoma, monitoraggio sanitario, produzione industriale,…).
Il beamforming
Il massive MIMO si basa, come si è visto, l’impiego di microantenne a bassa potenza. Un’altra tecnologia realizzata ad hoc consente la riduzione drastica delle potenze in gioco: il beamforming. In pratica, algoritmi estremamente sofisticati gestiscono i segnali in input e in output dell’antenna, rendendo i segnali (in uscita) direzionali. In pratica, in funzione della posizione degli apparati riceventi emette non più a 360° e in continuo, ma lungo direzioni precise e su richiesta, tenendo conto di ampiezze, fasi, e delle possibili interferenze.
E’ evidente la riduzione drastica, garantita dalla direzionalità, dell’energia impiegata per gestire un sistema di guida autonoma. Possiamo solo immaginare un sistema massive MIMO che deve gestire fasi e ampiezze dei segnali, angolazioni, tenuto conto che, come si è detto, le onde millimetriche “rimbalzano” generando interferenze; i complessi algoritmi dovranno selezionare quali pacchetti ricevere, trasmettere, discriminando fra quelli “buoni”, da conservare ed utilizzare, e quelli “cattivi”, da eliminare. Va ottimizzato il numero di antenne nelle stazioni di base tenendo conto che incrementandolo aumentano i canali di trasmissione, ma anche le interferenze.
Grazie a queste tecnologie nel 2018, per la prima volta, Ericsson e l’operatore nipponico NTT DOCOMO hanno sperimentato un’antenna 5G installata nel vetro di un’automobile raggiungendo una velocità di trasmissione dati di 8,0 Gbps viaggiando a 100 km/h; viaggiando a 170 km/h la trasmissione in download si è ridotta a 3,6 Gbps.
Chiaramente, tutto ciò ha richiesto la realizzazione di una componentistica elettronica estremamente raffinata; ad oggi gli Stati Uniti sono ancora all’avanguardia, anche se Cina e altre nazioni stanno lavorando per guadagnare terreno e conquistare il mercato.
La tecnologia Full-Duplex
E’ una tecnologia, prevista per le reti 5G, che consente di trasmettere e ricevere dati contemporaneamente sulla stessa frequenza senza interruzioni.
Già i sistemi WiFi avevano introdotto qualcosa di simile, per gestire la multiutenza; la tecnologi Half-Duplex, infatti, si basa sulla riduzione dei vari segnali in pacchetti, ai quali il software che gestisce il router assegna delle tempistiche affinché non collidano (tecnica TDD, Time Division Duplexing). Chiaramente questo sistema funziona bene fino a quando il numero di utenti contemporanei non comporta delle attese in coda non accettabili…tutti noi abbiamo presente quando aspettiamo a lungo l’apertura di una pagina web.
Tornando al 5G, la soluzione adottata fa riferimento ad un fenomeno ben noto riguardante le onde elettromagnetiche: la polarizzazione. Le onde elettromagnetiche, in buona sostanza, vibrano su due piani, uno orizzontale e l’altro verticale. Polarizzare significa mettere un filtro che consenta, ad esempio, il passaggio della sola componente orizzontale, o di quella verticale. Senza scendere in dettagli molto complessi, se il segnale in ingresso viene polarizzato verticalmente e quello in uscita orizzontalmente, possono passare per lo stesso canale senza interferire. Il risultato netto è un raddoppio dei canali di trasmissione. Il concetto descritto semplificando all’estremo è alla base della tecnologia Full-Duplex, sviluppata in forma prototipale, descritto nell’articolo 85–110-GHz CMOS Magnetic-Free Nonreciprocal Components for Full-Duplex Transceivers dove gli autori descrivono i componenti CMOS per realizzare una separazione di 45 dB fra due segnali che viaggiano sul canale alla stessa frequenza. Altri dispositivi sono stati realizzati, in grado di lavorare a frequenze più basse, comunque non inferiori ai 30 GHz.
Teconolgia D2D (Device to Device)
La tecnologia Device to Device è un’altra modalità di comunicazione prevista per le reti 5G. detto in parole semplici, quando due utenti sono connessi nella stessa cella, si sganciano dalla rete e i loro dispositivi comunicano fra loro attraverso una connessione diretta. Intuizione geniale, consente un alleggerimento notevole della rete, pagato però al prezzo di algoritmi di gestione decisamente più sofisticati: il sistema deve essere sempre in grado di sapere se gli utenti si trovano sempre nella stessa cella, diversamente deve ripristinare la connessione tramite rete.
D2D, detto anche ProSe (Proximity Service, Servizio di Prossimità), oltre a sgravare la rete garantirà una maggiore sicurezza di connessione e una latenza inferiore; genera una notevole aspettativa rispetto ai servizi sociali e commerciali, basati sulla localizzazione. I centri commerciali potranno inviare direttamente la pubblicità agli utenti nella stessa cella, teatri e cinema potranno fornire informazioni saltando la rete. Per non parlare dell’utilità in situazioni di emergenza nelle quali la struttura della rete risulti danneggiata, in cui potrebbero essere proficuamente impiegati dai soccorritori e dalle vittime per comunicare fra loro.
Chiaramente ci saranno ricadute pesanti relativamente alla comunicazione fra veicoli: possibilità di avere informazioni sulla viabilità in una determinata zona, eventuali incidenti, organizzazione dei veicoli stessi come tanti vagoni dello stesso treno, con miglioramento della qualità della vita dei guidatori, oltre a un sensibile risparmio di tempo e carburante, che va ad aggiungersi al risparmio di rete.
Anche la smart home non potrà che beneficiare del D2D, potendo interconnettere i vari oggetti ed eventualmente comunicare i dati ad una rete ultraveloce difficile da raggiungere.
Va da sé che la tecnologia D2D sarà in competizione con le reti WiFi, alla luce delle possibilità offerte dagli standard più avanzati (11ax).
Il Network Slicing
Questa possibilità offerta dal 5G è certamente la prova della grande flessibilità guadagnata rispetto alle reti precedenti, accompagnata a quella di investire in altri filoni produttivi i risparmi operati rispetto alle ridondanze prima inevitabili.
Le ricadute più importanti di quanto consentito dall’architettura saranno a livello aziendale: ogni azienda sarà in grado di scegliere a quale “fetta” di rete appoggiarsi per portare avanti le proprie attività, in funzione delle caratteristiche peculiari. La rete 5G si può suddividere in tre categorie principali, in vista dell’uso che un fruitore aziendale ne vuole fare:
- Enhanced Mobile Broadband (eMBB): quando necessita una connessione affidabile e a larga banda, come per applicazioni quali la guida autonoma. Utile per servizi in cloud, infoitment, smart city, gestione flotte.
- Internet of Things (IoT): larghezza di banda ridotta ma tantissime connessioni a basso consumo energetico, senza particolari specifiche, quindi a basso costo
- Ultra-Reliable Low Latency Communication (uRLLC): massima affidabilità e contemporaneamente minima latenza, quindi alto costo. Di supporto alla guida autonoma e alle fabbriche del futuro.
A partire da queste categorie un’azienda può scegliere quale meglio si adatti alle sue esigenze, oppure scegliere più fette di rete, ognuna gestita in autonomia rispetto alle altre. Nulla a che vedere con le reti precedenti, decisamente monolitiche.
(rielaborato da un contributo di Lorenzo Bianchi pubblicato su physics4medicine.com)
