Soluzioni tecniche per il 5G

Nella prima parte di questo blog, abbiamo discusso dei requisiti per il 5G e del processo di specifica intrapreso dall'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) e dal Progetto di partenariato di terza generazione (3GPP). Qui continuiamo la discussione indagando sulle potenziali soluzioni tecniche.

I sistemi di telecomunicazione mobile hanno tradizionalmente operato nella banda UHF, da 300 MHz a 3 GHz. Ciò ha fornito il miglior compromesso tra le questioni concorrenti di copertura e capacità, che sono maggiori rispettivamente alle basse e alle alte frequenze. Purtroppo la banda UHF è oggi estremamente frammentata e congestionata, per cui l'attenzione è rivolta alle bande SHF ed EHF, da 3 a 300 GHz. Il diagramma mostra alcune bande suggerite negli studi dell'ente regolatore britannico Ofcom, mentre un punto all'ordine del giorno per identificare le bande idonee è stato adottato per la Conferenza mondiale sulle radiocomunicazioni del 2019.

La propagazione radio nelle bande SHF ed EHF è leggermente diversa da quella UHF. La dimensione della cella in un ambiente urbano appare limitata a 200 metri circa, limite dovuto al fatto che la propagazione è dominata da segnali in linea di vista e perché il segnale è attenuato dalla pioggia e dall'assorbimento atmosferico. Le perdite di penetrazione sono ampie e sembrano tali da impedire la comunicazione dall’esterno all’interno. Inoltre, l'uso di segnali radio con lunghezze d'onda di millimetri o centimetri implica che gli array di antenne costituiranno un modo importante per massimizzare la potenza del segnale ricevuto.

L’uso di array di antenne suggerisce che le antenne MIMO (multiple input multiple output) svolgeranno un ruolo importante nel 5G. Nella nuova tecnica del MIMO massiccio, ogni stazione base è dotata di centinaia di antenne, che utilizza per comunicare con decine di cellulari utilizzando la stessa risorsa tempo-frequenza. Se consideriamo le trasmissioni dalla stazione base a un singolo cellulare bersaglio, allora i segnali delle diverse antenne della stazione base si combinano in modo coerente sul bersaglio, ma si combinano in modo incoerente altrove. Per le antenne M che servono i cellulari K, la potenza trasmessa dalla stazione base è proporzionale a 1/M, mentre il rapporto segnale-interferenza ricevuto è proporzionale a M/K. I benefici per l’efficienza spettrale e l’efficienza energetica del 5G sono potenzialmente grandi.

La tecnologia di accesso multiplo più probabile per il 5G sembra essere ancora OFDMA, ma questo problema verrà approfondito nell’ambito degli studi 3GPP. Il Massive MIMO è più efficace se utilizzato con Time Division Duplex (TDD) piuttosto che con Frequency Division Duplex (FDD), ma l'attenzione è rivolta anche alla comunicazione full duplex, che implica trasmissione e ricezione simultanee su un'unica frequenza portante. Seguendo le tendenze esistenti, è probabile che le reti 5G siano eterogenee, con celle di dimensioni diverse e facciano un uso crescente di relè e comunicazioni da dispositivo a dispositivo. Infine l'attenzione è rivolta alla centralizzazione e virtualizzazione della rete di accesso radio, nella quale l'elaborazione dei segnali delle stazioni base viene prima riportata ad un hub centrale e poi implementata via software su server universali.