La prima rete commerciale 5G si prevede che verrà dislocata nel 2020 a Tokyo, in concomitanza con la XXXII edizione dei giochi Olimpici. La sua diffusione nel resto del mondo dipenderà invece dalle scelte dei vari operatori del settore. In Europa tale tecnologia verrà introdotta verosimilmente intorno al 2022-202519 per assicurare un maggior assorbimento dei costi di installazione della rete
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4G. Sebbene non sia stato ancora avviato il processo di standardizzazione formale per i sistemi di quinta generazione, la fase investigativa per stabilirne i requisiti ed identificare le tecnologie adatte a soddisfarli è già entrata nel suo vivo. La pubblicazione in tal senso di articoli e “White Paper”, cioè documenti tecnici interni alle aziende, rappresenta il primo passo di un lungo cammino che si condurrà con la ratificazione dello standard per il 5G. Il processo di migrazione verso la futura generazione dovrà però essere percorso nel modo più efficiente possibile, sia dal punto di vista di operatori ed industria, definendo tempi ragionevoli per esplorare, testare e mettere in campo le nuove tecnologie, sia per i consumatori, i quali si aspettano una migrazione continua e trasparente verso i nuovi sistemi. Con riferimento alla figure 2.5, in cui viene indicata anche una stima delle tempistiche, possiamo notare come, ad oggi, ci troviamo già in uno stato avanzato della fase di investigazione sui requisiti e sulle tecnologie da impiegare all’interno del 5G. A questa seguirà un periodo di ricerca, dalla durerà di un paio di anni circa, sulle soluzioni da adottare e la loro ottimizzazione per garantire le specifiche identificate in precedenza, tenendo in considerazione anche fattori economici per possibili sviluppi futuri.
Figura 2.5 - Timeline quinta generazione.42,43
Farà seguito poi una fase nella quale si identificheranno le frequenze operative più opportune, la quale si prevede ruoterà intorno alla prossima World Radiocommunication Conference (WRC) che si svolgerà dal 28 Ottobre al 22 Novembre 2019. Una volta definite le frequenze operative, si avvierà la fase intensiva di test e di valutazione delle prestazioni dei sistemi, implementati considerando gradi di complessità crescente, per finire con il dislocamento di un effettivi sistemi di comunicazione commerciale testati in condizioni reali, con utenti accuratamente selezionati ed in numero limitato, prima dell’introduzione vera e propria nei vari mercati mondiali.
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CAPITOLO
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3.1 4G – LTE, Long-Term Evolution
Nel prossimo futuro, connessioni sempre più veloci saranno richieste da un numero sempre maggiore di utenti. La quinta generazione dovrà rispondere al previsto incremento di traffico ed ai differenti requisiti imposti dalla moltitudine di servizi supportati, evolvendo l’attuale architettura di rete ed integrandola con nuove tecnologie trasmissive. Per rendere questo possibile, la struttura del 5G dovrà cambiare radicalmente se confrontata con la precedente, al fine di garantire i requisiti di latenza ed affidabilità imposti da alcune particolari applicazioni.
Sebbene l’industria stia cominciando a rivolgere un concreto interesse verso il suo successore, lo standard LTE continua nel suo percorso di costante trasformazione in modo da costituire nel futuro un’importante porzione della RAN del 5G, in particolare per quanto concerne le frequenze inferiori ai 6 GHz. Nonostante le innumerevoli modifiche apportate nel corso degli anni, questa tecnologia si trova ancora nella fase iniziale della sua vita utile, e presenta perciò un notevole potenziale per la sua ulteriore affermazione. Le prime discussioni riguardo il suo sviluppo, seguendo il cammino intrapreso con l’HSPA, risalgono infatti al 2004, ma la sua introduzione sul mercato è avvenuta solamente nell’anno 2009.
Nel definire le linee guida dell’LTE, più che sull’introduzione di nuovi servizi a livello di rete, l’attenzione è stata rivolta principalmente nell’implementare un’architettura di rete basata completamente su IP e sull estendere coperture, capacità ed efficienza spettrale. Le prestazioni della quarta generazione, almeno nella sua versione iniziale, secondo quanto riportato dall’ITU (International Telecommunication Union), l’organismo internazionale responsabile della standardizzazione nel settore delle telecomunicazioni, prevedevano un’efficienza spettrale con valori di picco di 15 bit/s/Hz e data rate di 100 Mbps25. Per rendere questo possibile con l’LTE sono state introdotte alcune soluzioni tecnologiche che si sono rivelate di notevole successo con il
[25] ITU, “Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s)” - ITU Report, R M.2134, 2008 [Risorsa disposnibile Online: http://www.itu.int/pub/R-REP-M.2134-2008/en].
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passare degli anni. Tra queste un utilizzo dello spettro più flessibile, che prevede l’impiego di canali di ampiezza crescente, fino ai 20 MHz, con la possibilità di aggregazione anche se la loro posizione non risulta adiacente nello spettro. Dato l’aumento di banda disponibile, l’OFDM è stata adottata come forma d’onda per la trasmissione visti gli innumerevoli vantaggi che essa comporta e questo, in concomitanza con l’impiego modulazioni di ordine superiore (64 QAM), ha reso possibile ottenere le elevate velocità trasmissive richieste dall’ITU. In aggiunta, con il nuovo interfaccia radio l’LTE rende possibile una trasmissione MIMO, con notevoli guadagni dal punto di vista delle performance. Infine, una architettura più snella, caratterizzata da una minor eterogeneità di elementi ed un minor numero di nodi nella Core Network (CN), ha semplificato la gestione della rete e ridotto sensibilmente le latenze della comunicazione, rispetto alle precedenti generazioni.
Nonostante l’LTE, ad oggi, possa essere considerata una tecnologia matura e già commercialmente affermata, gli operatori stanno continuando ad investire nel suo processo di sviluppo, ed in tal senso, nel periodo 2013-2016, sono state introdotte una serie di modifiche con le Release 10, 11 e 12, comunemente riferite con l’acronimo LTE-A (LTE-Advance), che permettono di raggiungere data-rate (teorici) in down link fino a 300 Mbps26. L’LTE-A sarà in grado di sostenere la domanda di connessioni a banda larga per diversi anni a venire e si prevede che essa possa sospingere ulteriormente l’espansione della quarta generazione. Storicamente infatti la tecnologia cellulare ha mostrato un lasso di tempo di una ventina di anni circa, tra la sua introduzione ed il momento di maggior penetrazione sui mercati, mentre l’intervallo tra una generazione e la successiva si attesta in media sui 10 anni. In realtà, grazie anche all’LTE-A, la diffusione del 4G sta procedendo ad un tasso superiore rispetto a questo trend, perciò il momento di massima diffusione si prevede che possa essere raggiunto con anticipo e mantenersi costante per qualche anno. Appare quindi evidente come ci siano ancora notevoli margini di crescita intorno a questa tecnologia. In questo senso, le annuali stime fornite da OpenSignal27, riportate in figura 3.1, mostrano come l’accessibilità del 4G, misurata come la percentuale del tempo nel quale gli utenti riescono a connettersi a tale rete rispetto al tempo totale, si attesti su valori estremamente elevati in paesi quali Repubblica di Corea (95,71%) e Giappone (92.03%), sinonimo di una copertura del territorio pressoché totale. In Europa invece la migrazione verso la quarta generazione procede con leggero ritardo rispetto ai “pionieri digitali” sopra elencati. Sebbene la media si attesti intorno al 70%, sorprendentemente, alcune delle
[26] GSMA, “Understanding 5G: Perspectives on future technological advancements in mobile”- GSMA Intelligence, Dicembre 2014 [Risorsa disponibile Online: www.gsma.com].
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nazioni con le più floride economie europee presentano valori sensibilmente inferiori. Tra queste: Regno Unito (57.94%), Germania (57.12%), Italia (54.16%) e Francia (49.44%). Questi numeri mettono in luce come ci siano ancora sostanziali opportunità di investimento in tal senso. Ad oggi infatti, la più grande sfida per gli operatori di settore intorno all’LTE rimane la capacità di generare un sufficiente ritorno economico da questa tecnologia di rete che ha richiesto in passato pesanti investimenti per il suo dispiegamento.
Ciò nonostante, il diffondersi dell’IoT e l’avvento della MTC hanno evidenziato alcuni aspetti negativi dell’attuale tecnologia di rete, alcuni dei quali strettamente legati all’utilizzo dell’ OFDM che si è rivelata inefficiente per operare in scenari caratterizzati da uno spettro elettromagnetico frammentato. Per questa ragione, nonostante gli operatori stiano cercando di adattare l’attuale standard LTE per supportare le nuove tipologie di comunicazione ed i servizi da esse collegate, al fine di monetizzare il più possibile i loro investimenti, già da alcuni anni l’industria e la ricerca si stanno concentrando nello sviluppo di più efficienti forme d’onda che permettano di superare i tradizionali limiti dell’OFDM. Nei paragrafi successivi sarà quindi esaminato l’aspetto fisico legato ai sistemi LTE, con particolare attenzione riguardo l’OFDM. L’analisi dei suoi aspetti negativi sarà sfruttata come punto di partenza per l’introduzione delle forme d’onda candidate ad essere implementate nei sistemi di quinta generazione.
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Figura 3.1 – Accessibilità del 4G secondo la ricerca condotta nel Novembre 2016 da OpenSignal27.
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