L’infrastruttura radio della rete 5G

Da un punto di vista tecnico l’adozione della tecnologia 5G richiede la costituzione di un’innovativa infrastruttura radio denominata 5G New Radio (NR), appositamente

164 Queste componenti hardware sono comunemente chiamte COTS (Commercial Off-The-Shelf servers) per sottolineare il livello di standardizzazione della tecnologia.

165 Il multiplexing è un metodo che permette di combinare due o più segnali (analogici o digitali) in uno unico consentendo di trasmetterli attraverso la condivisione di un’unica risorsa o infrastruttura. Il multiplexing divide infatti la capacità del canale di comunicazione in diversi sottocanali, uno per ogni pacchetto di segnali che deve essere trasmesso.

progettata per supportare il trasferimento dei dati con i livelli di performance descritti nei paragrafi precedenti. Inoltre, l’infrastruttura di rete dovrà garantire le caratteristiche di flessibilità e affidabilità necessarie a soddisfare la grande varietà di applicazioni sviluppabili grazie agli attributi innovativi del 5G.

Come precedentemente introdotto, tali applicazioni si serviranno sia di bande “low”, con frequenze inferiori a 6GHz, che di bande “high”, con frequenze che superano i 6Ghz.

Per garantire uno spettro di banda così ampio, esaminando la parte hardware dell’infrastruttura, si prevede l’utilizzo di celle di varie dimensioni, l’uso intensivo di tecnologie wireless come il Wi-Fi e una buona integrazione con la tecnologia di rete della generazione passata, come il 4G e il 3G. Infine, per alcune applicazioni specifiche in aree urbane o al coperto, la tecnologia 5G si baserà sull’utilizzo di reti Ultra-Dense (UD) (Ge, Tu, Mao, Wang, & Han, 2016) grazie all’impiego simultaneo di micro e macro-celle.

Formalmente i requisiti di progettazione generici dell’infrastruttura di rete sono consultabili nelle varie pubblicazioni del 5GPPP (Group 5. A., 2017), tra cui le più rilevanti sono:

I. Funzionamento su uno spettro molto ampio di banda, da bassa a molto alta: 0,4 - 100 Ghz, comprendendo inoltre il funzionamento autonomo in bande senza licenza (outband);

II. Component-carrier¹⁶⁶ con una larghezza di banda che può raggiungere i 400 MHz (fino a 100 MHz in <6 GHz; fino a 400 MHz in> 6 GHz) utilizzando fino a 16 differenti Component-Carrier;

III. Nuova codifica dei canali (“LDPC” per il canale dati, codifica “Polar” per il canale di controllo);

IV. Supporto tecnico per garantire servizi a bassa latenza (Shortened Transmission Time Interval o TTI);

166 Con Component-Carrier si intende una tecnica che combina più carrier singoli che utilizzano larghezze di banda differenti dello spettro di segnale assegnato, consentendo di aumentare la larghezza di banda utilizzabile e aumentando di conseguenza la velocità complessiva di trasmissione della rete.

V. Supporto tecnico per garantire connessioni ultra-affidabili (Multiple Diversity Mechanisms);

VI. Architettura RAN flessibile e modulare;

VII. Supporto per dispositivi che si collegano in maniera diretta, senza rete (D2D¹⁶⁷, V2x¹⁶⁸).

Da un punto di vista temporale la rete 5G sfrutterà in un primo tempo l’infrastruttura della rete esistente per poi sviluppare un’infrastruttura parallela indipendente. A tale proposito l’Unione Europea ha programmato di raggiungere la copertura completa delle aree urbane entro la fine del 2025 (European Commission - Policies, s.d.).

Per raggiungere questo obiettivo si stanno sviluppando a livello globale una serie di nuove tecnologie radio in grado di permettere la comunicazione attraverso gli spettri di banda discussi nel capitolo precedente, incrementare la copertura e la stabilità della connessione e di diminuire la latenza.

Iniziando ad analizzare la parte hardware, il nuovo network richiederà l’utilizzo di una nuova famiglia di celle di dimensioni inferiori rispetto a quelle attualmente utilizzate, in grado di supportare e lavorare congiuntamente all’architettura di rete esistente.

Proponendole in ordine di grandezza crescente le tre macro-categorie di nuova introduzione sono: femtocelle, picocelle e microcelle. L’appartenenza di una cella a una delle famiglie sopra descritte dipende principalmente dal numero di utenti che possono servire e all’area coperta in modo efficace¹⁶⁹. La tabella seguente compara schematicamente le performance principali offerte (Accenti, 2019):

167 Per comunicazione Device-to-Device o D2D si intende la comunicazione diretta tra due utenti mobili che non utilizza né una Base Station né il core network della rete. La comunicazione generalmente può servirsi dello stesso spettro della rete cellulare come di spettri alternativi detti “senza licenza” che si trovano quindi fuori dalla banda (outband).

168 Con Vehicle-to-everything (V2X) si intende la specifica tecnologia che consente ai veicoli di comunicare e interagire con tutti i soggetti umani e non che li circondano.

169 Con efficace si intende la possibilità di permettere una connessione che rispetti i KPI specifici della rete 5G.

Potenza di trasmissione

Area di

copertura Utenti Rete di ritorno

Applicazione principale

Femtocelle 100 milliwatt 10-50 m 8-16

Cavo o fibra

Principalmente interne-private

Picocelle 250 milliwatt 100-250 m 32-64

Cavo o fibra

Principalmente interne-commerciali

Microcelle 2-5 watt 0,5-2,5 Km 200

Cavo, fibra o microonde

Esterne

Tabella 3: Confronto nuove celle di trasmissione

In generale queste celle, pur essendo di dimensioni ridotte, esplicano le stesse funzioni delle stazioni fisse convenzionali consentendo di gestire una grande quantità di dati sia in trasmissione che in ricezione.

Visivamente questa nuova tipologia di celle vedrà una diffusione capillare sul territorio.

Data la scarsa capacità di trasmissione del segnale ad alta frequenza in ambienti urbani ricchi di ostacoli fisici, le celle più piccole dovranno essere disseminate per le città al fine di permettere una linea di connessione diretta con gli utenti collegati alla rete.

Si potrebbe affermare che alla base di questa decisione di ramificazione estrema della rete ci sia un cambio di paradigma della trasmissione dei dati. Se storicamente si era deciso di utilizzare grandi potenze per aumentare le distanze di trasmissione, oggi a causa della quantità di dati trasmessa e di utenti connessi, si è deciso di diminuire la potenza delle celle ma di aumentare notevolmente il numero di antenne in prossimità dell’utente finale.