Nel precedente paragrafo abbiamo riportato, basandoci sull’analisi dei Test Case indicati nella letteratura, una stima delle principali specifiche operative che la quinta generazione dovrà riuscire a soddisfare. Progettare un’infrastruttura che sia capace di assicurare tali prestazioni risulterà un impresa tutt’altro che banale. Per riuscire in questo si renderà necessario ripensare completamente sia l’architettura sia l’interfaccia radio del 5G e questo farà si che la prossima infrastruttura di comunicazione risulterà totalmente differente se comparata con quella attuale.
Sebbene non sia stato ancora raggiunto un consenso unanime nell’industria, su come dovrà svilupparsi la nuova generazione, e su quali tecnologie dovranno essere impiegate, sono stati individuati alcuni aspetti che si riveleranno essenziali per incrementare le prestazioni in termini di capacità, copertura, efficienza spettrale e riduzione dei consumi. Per affrontare l’aumento di traffico e consentire larghezze di banda sufficientemente ampie da supportare i data-rate previsti, dovranno essere considerate ulteriori porzioni dello spettro oltre i 6 GHz, ed in tal senso sono state analizzate tutte le frequenze disponibili fino ad i 275 GHz20. Una nuova organizzazione della RAN, Radio Access Network, basata su differenti tipologie di celle radiomobili, permetterà maggiori capacità della rete ed allo stesso tempo estenderne la copertura, mente nuove tipologie trasmissive consentiranno di ottenere una più elevata efficienza spettrale, anche in scenari caratterizzati dalla presenza di uno spettro elettromagnetico frammentato. Qui di seguito analizzeremo alcune di queste strategie, suddividendole in tre categorie: “mmWave”, ”Riduzione delle Celle” ed “Efficienza spettrale”, rivolgendo di volta in volta l’attenzione sugli aspetti che dovranno essere tenuti in considerazione durante il processo di standardizzazione del 5G.
mmWave: Fino ad oggi i sistemi di comunicazione wireless, per ragioni tecniche ed economiche, hanno concentrato la loro operatività in una ristretta porzione dello spettro elettromagnetico, in particolare quella che si estende da alcune centinaia di MHz fino a pochi GHz, corrispondente a lunghezze d’onda nell’ordine dei centimetri21. Per questa ragione, specialmente nei paesi più industrializzati, tale banda risulta attualmente già occupata nella sua quasi totalità. Al fine di garantire le prestazioni stimate per i sistemi di quinta generazione, si ha tuttavia la necessità di allocare nuove risorse spettrali, e per rendere ciò
[20] Alex Apostolidis et al., “Intermediate description of the spectrum needs and usage principles” - METIS, Deliverable D5.1, ICT-317669, Agosto 2013.
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possibile si ha solamente un cammino da intraprendere: salire in frequenza21. È importante sottolineare però che l’utilizzo di frequenze più elevate, specialmente oltre le decine di GHz, potrà servire solamente come complemento a quelle tradizionalmente impiegate per fornire una capacità addizionale e per permettere trasmissioni a banda ultra-larga.
Una notevole quantità di spettro relativamente libero è disponibile nel range 30 ÷ 300 GHz, dove le lunghezze d’onda risultano 1 ÷ 10 millimetri, e per ciò tale intervallo viene generalmente riferito con il nome di onde millimetriche (mmWave). La ragione principale per cui le mmWave risultano largamente non allocate è dovuta al fatto che, finora, esse si siano rivelate inadeguate per le comunicazioni mobili, a causa di condizioni di propagazione avverse e costi esorbitanti degli apparati trasmissivi. Ciononostante, con il progredire del processo tecnologico e la conseguente riduzione dei costi di sistemi e apparati, anche queste frequenze, in particolare quelle non licenziate intorno ai 60 GHz, stanno cominciando a suscitare un discreto interesse, specialmente per comunicazioni a breve o brevissima distanza, specifiche di alcune particolari applicazioni.
Con l’aumentare delle frequenze però, le condizioni di propagazione diventano sensibilmente più ostili rispetto a quelle tradizionalmente sperimentate dai sistemi wireless odierni, e nuovi fenomeni di propagazione, del tutto ininfluenti alle basse frequente, devono essere tenuti in considerazione. Per quanto riguarda l’attenuazione in spazio libero (Free-space Path-Loss), dovuta cioè ai soli effetti di propagazione dell’onda elettromagnetica nell’etere, tale perdita può essere valutata come:
Dove:
R: indica la distanza tra trasmettitore e ricevitore, λ: La lunghezza d’onda
fc: Frequenza portante
c: Velocità della luce ( c = 3 × 108 m/s)
[21] Jeffrey G. Andrew et al, “What Will 5G Be?” - IEEE Communications Journal, vol 32, Issue: 6 pag: 1065–1082, Giugno 2014
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Esplicitando la lunghezza d’onda, in termini di frequenza portante e velocità della luce, ed esprimendo tale grandezza in decibel (dB), otteniamo :
Come è facilmente verificabile, per ogni incremento dell’ordine di grandezza della frequenza portante, passando ad esempio da 3 a 30 GHz, si riscontrano perdite di propagazione, a parità di distanza, maggiori di un fattore 20 dB.
Congiuntamente a questo, un altro effetto da tenere in considerazione è che le mmWave, nell’incidere su di ostacolo lungo il loro percorso, sono maggiormente suacettibili al fenomeno della riflessione piuttosto che a quello della diffrazione, che invece caratterizza le microonde. Questo si traduce in un comportamento pressoché duale dei canali di comunicazione, discriminato dalla presenza o meno del cammino diretto del segnale o Line- of-Sight (LoS). Studi in merito22 hanno mostrato come, per distanze ragionevoli, tali cioè da verificare abbondantemente la condizione di campo lontano, il Path-Loss tenda rapidamente al valore dell’attenuazione in spazio libero di 20 dB/decade in presenza della LoS, mentre decade ben oltre le 40 dB/decade in sua assenza,23. Per questa ragione un link di comunicazione può rapidamente rendersi inutilizzabile a causa di un ostacolo che si interponga tra trasmettitore e ricevitore, interrompendo il cammino diretto del segnale. Oltre al Path-Loss, un ulteriore fattore che concorre a decrementare la potenza del segnale ricevuto è rappresentato dall’ attenuazione atmosferica, dovuta alla presenza di ossigeno e di altre molecole nell’aria. Questa grandezza, fa riferimento ad un parametro definito “attenuazione specifica dell’atmosfera” misurato in dB/Km, il cui valore può essere dedotto tramite l’impiego di opportuni grafici, come quello riportato in figura 2.4.
[22] T. S. Rappaport et al., “Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!” - IEEE Access, vol.1, no.1, pp. 335–349, Agosto. 2013.
[23] S. Rangan, T. Rappaport, and E. Erkip, “Millimeter-wave cellular wireless networks: Potentials and challenges” - Proceedings of the IEEE, vol. 102, no. 3, pag. 366–385, Marzo 2014.
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Figura 2.4 – Attenuazione specifica dell’atmosfera per le onde millimetriche35.
Come si evince dalla figura 2.4 l’attenuazione atmosferica, del tutto ininfluente alle frequenze inferiori ai 5 GHz, può risultare significativa nel campo delle mmWave, in particolare nell’intorno dei 60 GHz, dove raggiunge un valore di 15 dB/km, e rappresenta la ragione per la quale questa banda non è stata licenziata in passato.
Infine anche l’assorbimento dovuto a fenomeni meteorologici ed alla presenza o meno di fogliame risulta significativo quando si lavora con onde millimetriche. A queste frequenze infatti, le gocce d’acqua e le foglie degli alberi hanno dimensioni comparabili con le lunghezze d’onda dei segnali utilizzati e quindi danno origine a fenomeni di scattering che riducono la potenza del segnale ricevuto proporzionalmente all’entità della precipitazione o alla densità e spessore del fogliame.
Contrariamente a quanto si crede però tutte queste difficoltà di propagazione possono essere sfruttate in modo vantaggioso. In un ambiente urbano, dove le distanze tipiche tra le BS risultano modeste (nell’ordine di 200 m), una elevata attenuazione può risultare benefica in
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quanto permetterebbe di ridurre l’interferenza generata tra BS vicine, contribuendo ad incrementare l’isolamento della celle, permettendo così un maggior riuso di frequenze. In conclusione, gli avversi fenomeni che caratterizzano la propagazione delle mmWave possono essere il larga parte superati, risultando in alcuni casi benefici, rendendo così l’utilizzo delle onde millimetriche appetibile per la nuova generazione di sistemi radiomobili.
“Riduzione delle Celle”: Un semplice ma estremamente efficiente metodo per incrementare la capacità complessiva della rete è quello di ridurre le dimensioni delle celle radiomobili. Questo approccio si è dimostrato efficace attraverso tutte le varie generazioni di reti cellulari24. La prima di queste, agli inizi degli anni ottanta, era costituita da celle dell’ordine di centinaia di km2. Da allora le loro estensioni si sono progressivamente ridotte fino a raggiungere le centinaia di m2 nelle aree urbane densamente abitate. Diminuire le dimensioni delle celle comporta numerosi benefici, i più immediati di quali sono rappresentati da un maggior riuso di frequenze attraverso una determinata area geografica e dalla riduzione nel numero di utenti che si contendono le risorse per ogni BS. In aggiunta, anche la copertura può essere estesa, fattore cruciale per incrementare il data-rate complessivo della rete, dispiegando piccole celle, definite come femto- o pico-celle, in ambienti indoor come case, uffici o luoghi pubblici, con notevoli vantaggi dal punto di vista della propagazione dei segnali. L’attuale architettura della rete cellulare prevede BS tipicamente esterne, comunicanti con gli UE (User Equipment), i terminali mobili, indipendentemente che essi siano all’interno o meno di un edificio. Se l’utente si trova in un luogo chiuso, il segnale deve quindi attraversare le pareti della struttura con conseguenti perdita di potenza, riduzione della velocità trasmissiva ed efficienza della comunicazione. Separando l’ambiente outdoor da quello indoor, le perdite dovute alla penetrazione di muri o strutture solide sarebbero evitate. Inoltre queste femto- e pico- celle potrebbero essere disattivate nel caso in cui non vi siano utenti da servire, ad esempio durante le ore notturne, e questa strategia, oltre alla riduzione dell’interferenza, permetterebbe di diminuire anche il consumo energetico complessivo della rete, fattore questo di primaria importanza per la nuova generazione di rete. Un altro aspetto interessante da tenere in considerazione deriva dal fatto che pico-celle e femto-celle, possono
[24] V. Chandrasekhar, J. G. Andrews, and A. Gatherer, “Femtocell networks: a survey” - IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 9, pp.59–67, Settembre. 2008.
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essere implementate con tecnologie eterogenee, ad esempio Wi-Fi o Bluetooth, incrementando ancor più la flessibilità della RAN del 5G.
Tuttavia una massiccia densificazione della rete ha come conseguenza una notevole complicazione delle procedure che regolano la mobilità degli utenti. In particolar modo per le procedure di handhoff si renderà necessaria l’adozione di nuovi protocolli tali da riuscire a gestire in maniera rapida ed efficiente i frequenti cambiamenti di cella che si verificheranno quando un terminale si trovi in movimento.
“Efficienza spettrale”: Al fine di riuscire a soddisfare le future richieste degli utenti radiomobili, congiuntamente alla messa in campo di ulteriori bande frequenziali, si renderà imprescindibile un utilizzo più efficiente dello spettro elettromagnetico, specialmente nella sua porzione inferiore, al fine di garantire maggiori capacità ed una migliore convivenza dei servizi offerti dalla rete. In tal senso si renderà necessaria l’adozione di nuove soluzioni inerenti l’aspetto trasmissivo dei segnali e lo sviluppo tutte quelle tecnologie relativamente recenti nel mondo delle comunicazioni commerciali che hanno mostrato fin qui interessanti prestazioni. Un esempio di ciò è rappresentato dal MIMO. I sistemi MIMO prevedono l’utilizzo di più antenne in trasmissione e ricezione, e garantiscono prestazioni notevolmente superiori in termini di affidabilità, consumo di potenza e efficienza spettrale (più bit/s/Hz) rispetto alla quelli caratterizzati da un singolo elemento radiativo. Questa tecnica, già largamente adottata anche nel 4G sarà ulteriormente sviluppata con la futura generazione. In tal senso si parla di massive MIMO (mMIMO), ovvero nell’estendere considerevolmente il numero di antenne nei dispositivi, in modo da incrementare le prestazioni ed introdurre un più ampio grado di libertà, che può essere sfruttato per adattare le trasmissioni sulla base delle necessità specifiche del servizio offerto. Ci sono tuttavia numerosi quesiti tecnologici da risolvere prima che il mMIMO possa essere adottato con successo nei sistemi di quinta generazione. Tra questi il fatto che tale tipologia di comunicazione presuppone una precisa conoscenza dello stato del canale, e questa non sempre si rende disponibile, specialmente nel tratto di Downlink e con utenti in movimento. In aggiunta a questo la mancanza di modelli di canale affidabili, ostacola sensibilmente la ricerca in questo settore. Infine, un ultimo aspetto da non sottovalutare è rappresentato dal fatto che, aggiungento elementi radiativi e relativa componentistica a Radio-Frequenza (RF), si aumenta notevolmente la loro complessità, e di conseguenza il loro costo, dei dispositivi. Fattore questo che potrebbe in un primo momento limitare l’adozione del mMIMO alla sola RAN dell’infrastruttura di comunicazione.
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Un altro approccio per migliorare l’efficienza spettrale delle comunicazioni nei sistemi di nuova generazione è rappresentato dalla Device-to-Device communication (D2D), dove ogni terminale è capace di comunicare direttamente con altri dispositivi, senza appoggiarsi all’infrastruttura di trasporto dati. Con l’attuale architettura di rete, tutte le comunicazioni devono transitare tramite le BS e questo risulta estremamente inefficiente dal punto di vista trasmissivo, specialmente quando i dispositivi si trovano fisicamente molto vicini. In uno scenario caratterizzato da una elevata densità di dispositivi, dove le M2M saranno dominanti, la D2D permetterà di ridurre sensibilmente il volume di traffico gestito dalla BS che potrà quindi dedicare le proprie risorse per servire altri utenti,
Infine anche le forme d’onda saranno ripensate, sempre con lo scopo di permettere un migliore utilizzo dello spettro. A conseguenza dell’aumento di banda dei segnali, necessario a garantire gli elevati data-rate imposti dalle applicazioni, e dati i vantaggi che esso offriva, l’OFDM è stato unanimemente adottato all’interno dei sistemi di quarta generazione. Tuttavia il suo utilizzo si è rivelato particolamente problematico in scenari caratterizzati dalla presenza di uno spettro frammentato, a causa dell’elevato livello dei lobi laterali che accompagnano il segnale. Per questa ragione numerose forme d’onda sono già state proposte per i sistemi 5G, molte delle quali sviluppate a partire dall’OFDM, con lo scopo di ridurrne le emissioni fuori banda, in modo tale da garantire prestazioni soddisfacente anche in assenza di ampie e contigue bande frequenziali. Nei Capitoli successivi di questo lavoro, dopo un esame preliminare dello standard 4G-LTE, focalizzandoci sugli aspetti relativi al livello fisico, saranno analizzate nel dettaglio alcune delle forme d’onde proposte per i sistemi di nuova generazione.