reti e frequenze

5G, armonizzare lo spettro per far convivere servizi diversi: ecco come

L’introduzione di una nuova tecnologia, essendo lo spettro radio una risorsa pregiata, richiede la tutela dei sistemi esistenti che occupano le stesse frequenze al fine di garantire un funzionamento coerente e armonico di tutte le tecnologie in campo. Ecco come funziona il processo di armonizzazione

20 Nov 2019
Claudia Carciofi

Ricercatrice Fondazione Ugo Bordoni

Samuela Persia

Ricercatrice Fondazione Ugo Bordoni

Valeria Petrini

Ricercatrice Fondazione Ugo Bordoni


Uno degli aspetti chiave per il successo del 5G e dei molteplici servizi che la tecnologia abiliterà sarà quello di garantire che il suo utilizzo non comprometta in alcun modo il buon funzionamento dei sistemi già esistenti che attualmente operano sulle stesse bande di frequenza.

L’introduzione della nuova tecnologia richiede pertanto la tutela dei sistemi esistenti che occupano la stessa porzione di spettro, al fine di garantire un funzionamento coerente e armonico di tutte le tecnologie.

Enti preposti a livello mondiale, quali l’ITU, e a livello europeo la CEPT, si occupano di predisporre le norme tecniche per garantire la coesistenza di servizi diversi. Tali linee guida generali vengono poi successivamente recepite dai vari Stati membri che, laddove necessario, definiscono delle procedure specifiche legate al contesto nazionale in cui si trovano ad operare. Lo scopo di questo lavoro continuo a tutti livelli, internazionale, europeo e nazionale, ha quindi il fine ultimo di promuovere l’introduzione di nuove tecnologie per supportare lo sviluppo economico dei vari Paesi e al tempo stesso di garantire e tutelare il buon funzionamento di tutti i sistemi e servizi esistenti.

5G, servizi e frequenze

La futura rete 5G abiliterà molteplici servizi caratterizzati da requisiti specifici molto differenti tra loro grazie alla sua peculiarità di supportare diversi paradigmi di comunicazione, come indicati dall’ITU-R [1], ossia: eMBB (enanched Mobile BroadBand) per applicazioni ad elevate prestazioni di banda quali la fruizione di contenuti multimediali ad alta definizione; mMTC (massive Machine Type Communication), per applicazioni basate sull’utilizzo di un elevato numero di dispositivi IoT (Internet of Things) come l’automazione e il monitoraggio; uRLLC (ultra Rialable Low Latency Communication) per applicazioni critiche quali la guida autonoma.

La potenzialità di abilitare servizi e tipologie di comunicazione così differenti è possibile grazie all’uso di frequenze di banda molto differenti tra loro. In effetti, il paradigma 5G è definito dall’ente che si occupa della definizione e standardizzazione delle reti cellulari, il 3GPP (Third Generation Partnership Project) [2] come la soluzione in grado di abilitare applicazioni con requisiti a volte contrastanti fra loro grazie alla possibilità di “virtualizzare” la rete fisica attraverso tecniche cosiddette di Network Slicing.

In particolare, le frequenze proposte e utilizzate per la prima fase di implementazione del 5G in Europa secondo le indicazioni del Radio Spectrum Policy Group (RSPG) sono [3]:

  • banda sotto 1 GHz: banda 700 MHz per ottenere estese coperture radio soprattutto per le connettività di dispositivi IoT. Le specifiche di comunicazione IoT secondo il paradigma mMTC saranno oggetto di successive fasi di definizione del 5G non disponibili prima del 2021 (3GPP Release 17);
  • banda sotto 6 GHz: banda 3.6-3.8 GHz per avere un buon compromesso tra copertura e capacità. Tale banda è la più pregiata perché sarà la prima ad essere utilizzata nelle prime installazioni di reti 5G, anche in linea con le Release ad oggi disponibili per il 5G e che permetterà la realizzazione della maggior parte delle future applicazioni 5G (3GPP Release 15/Release 16);
  • banda sopra 6 GHz: banda 26.5-27.5 GHz per applicazioni che richiedono elevata capacità come la gestione di accessi in condizioni di elevato traffico dati senza incorrere in congestione di rete in situazioni eccezionali come concerti, eventi sportivi, eccetera (3GPP Release 16).

A seconda della frequenza utilizzata, quindi, si potranno promuovere differenti tipologie di servizi nei più diversi ambiti applicativi, come riportato in figura 1 dove sono indicati alcuni esempi, con il relativo piano temporale di definizione delle 3GPP Release per la rete 5G.

Figura 1: Bande pioniere 5G e relative 3GPP Release.

L’armonizzazione dello spettro: un’attività continua

Da quanto detto, emerge come l’utilizzo di bande di frequenza cosi differenti ponga uno degli aspetti chiave per il successo dell’adozione del 5G: quello di garantire che il suo utilizzo non comprometta in alcun modo il buon funzionamento dei sistemi già esistenti che attualmente operano in tali bande.

In particolare, la banda sopra 6 GHz è stata indicata come la banda che permetterà lo sviluppo di applicazioni che richiedono elevata capacità trasmissiva quali ad esempio copertura delle rete 5G durante eventi eccezionali che richiedono di dover servire un gran numero di utenti in un’area limitata (stadio, concerti, olimpiadi ecc.). L’Europa per questo scopo sta considerando anche una banda più ampia intorno ai 26 GHz rispetto a quella 26,5-27.5 GHz, e alla prossima WRC19 si prenderà in considerazione la candidatura dello spettro tra i 24.25 e i 27,5 GHz per l’attribuzione del 5G. Tale scelta è dovuta dal fatto che questa banda è ritenuta dagli Stati membri e dalla Commissione Europea come quella che permetterà un rapido dispiegamento dei sistemi di prossima generazione in Europa, in linea con gli obiettivi del piano d’azione 5G della Commissione e della Gigabit Society.

L’utilizzo effettivo per le reti 5G di tali bande richiede l’analisi delle possibili problematiche di coesistenza tra la nuova tecnologia 5G e i servizi esistenti, i cosiddetti “incumbent”, il cui funzionamento non deve essere compromesso dall’introduzione di tecnologie nuove quali il 5G. In realtà, a tal riguardo, è bene ricordare che ci sono organi preposti che si occupano di tali problematiche in maniera attiva e continuativa, per far sì che, ogni qualvolta venga introdotta una tecnologia nuova, sia garantita la coesistenza, ossia il buon funzionamento, tra i sistemi già presenti e i nuovi entranti. Per cui, benché sia ragionevole avere un giusto livello di attenzione nella corretta introduzione di sistemi nuovi in bande già utilizzate da sistemi esistenti, non bisogna assecondare ingiustificati allarmismi a riguardo.

In particolare, l’armonizzazione coerente dello spettro è assicurata dall’attività continua da parte della World Radiocommunications Conference (WRC) [4] che si riunisce ogni 4 anni e ha come obbiettivo la corretta condivisione dello spettro per le diverse tecnologie. La prossima WRC si terrà a fine 2019 (WRC-19), e per quanto riguarda le tematiche per i futuri sistemi 5G, sarà quello di prendere in considerazione l’assegnazione di bande di frequenza per tali sistemi in frequenze superiori ai 24 GHz fino a 86 GHz.

In risposta a tali esigenze, a livello europeo la CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) [5] ha definito nel CEPT Report 68 [6] del luglio 2018 le condizioni tecniche per l’utilizzo della banda di frequenza a 26 GHz per i sistemi 5G, finalizzate a garantire la corretta coesistenza con i sistemi esistenti operanti nelle medesime bande. Ciò viene realizzato attraverso l’implementazione di tecniche di mitigazione (ad esempio: limiti sulla potenza trasmessa dai nuovi sistemi entranti, introduzione di una banda di guardia, definizione di una distanza di separazione) con i sistemi già presenti nella banda di interesse. In altre parole, il CEPT Report riporta una sintesi degli scenari di coesistenza con diversi servizi incumbent e definisce le condizioni di compatibilità a garanzia della protezione di tutti gli utilizzatori della banda 24.25 – 27.5 GHz e nelle bande adiacenti, che sono:

  • Fixed Service (FS): collegamenti in ponte radio bidirezionali.
  • Earth Exploration Satellite Service (EESS): Servizio d’esplorazione della Terra via satellite ossia un servizio di radiocomunicazione tra stazioni terrestri ed una o più stazioni spaziali, per raccogliere informazioni relative alle caratteristiche della Terra e dei suoi fenomeni naturali. Tra questi servizi vi sono anche i servizi di esplorazione della Terra per finalità meteorologiche (Meteorological Satellite Service).
  • Space Research Service (SRS): Servizio di radiocomunicazione in cui si utilizzano veicoli spaziali o altri oggetti spaziali per scopi di ricerca scientifica o tecnica.
  • Fixed Satellite Service (FSS): collegamenti di comunicazione per servizio fisso via satellite.
  • Data Relay Satellite Systems (DRSS): sistemi di satelliti in orbita geostazionaria per trasmettere informazioni tra gli altri satelliti e le stazioni a terra, per consentire la comunicazione anche con i satelliti in orbita terrestre bassa (Low Earth Orbit, LEO), che spesso non sono visibili da tutte le stazioni operanti a terra.
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Inoltre, per garantire gli opportuni livelli di protezione dei sistemi incumbent in bande adiacenti, sono stati espressamente indicati i limiti di emissione fuori banda per i sistemi 5G nelle bande di interesse nella Decisione ECC 18(06) approvata a luglio 2018 [7].

Va infine ricordato che, per consentire un’effettiva implementazione del sistema 5G nelle bande di interesse, la CEPT sostiene l’attuale processo di coordinamento transfrontaliero bilaterale tra i Paesi Membri coinvolti al fine di permettere un’armonizzazione della banda 26 GHz coerente a livello Europeo.

La coesistenza: scenari possibili in ambito europeo e nazionale

L’attività degli enti preposti alla regolamentazione e alla gestione dello spettro ha quindi lo scopo di tutelare i servizi esistenti e garantirne la perfetta funzionalità. Come si può immaginare, tale lavoro richiede una continua interazione tra le parti coinvolte, al fine di trovare soluzioni tecniche percorribili che tutelino gli interessi di tutti. Proprio per questo, alcune soluzioni richiedono più tempo di altre per arrivare alla convergenza, ossia alla definizione di procedure approvate attraverso Report CEPT o decisioni ECC, come quelle indicate in precedenza.

Tuttavia, nel corso della installazione delle nuove reti i possibili scenari reali potrebbero risultare più complessi, pur avendo considerato criteri di protezione per gli incumbent sempre definiti sulla base di un approccio molto cautelativo. Perciò potrebbero verificarsi scenari di coesistenza che richiederanno una maggiore attenzione tramite una valutazione più dettagliata delle condizioni che garantiscono le installazioni del 5G senza causare un malfunzionamento o addirittura fuori servizio dei sistemi incumbent. Ciò vuol dire, in altre parole, che i criteri di protezione vengono stabiliti sempre partendo dal caso peggiore, ossia considerando la massima potenza di emissione del sistema interferente verso la direzione del sistema interferito. Eventuali installazioni secondo queste indicazioni, in definitiva saranno tali da garantire le migliori condizioni di operatività (dal punto di vista dell’interferito) nella maggior parte degli scenari, rispetto alle condizioni di valutazione tecnica e quindi in grado di garantire la giusta protezione al sistema interferito che sperimenterà una corretta operatività anche in presenza di sistemi 5G.

In figura 2 sono riportate le specifiche della zona di protezione che possono essere definite in termini di valore limite per la massima interferenza per la posizione specifica di un incumbent (INC (x0,y0) in figura) oppure per un’area specifica attorno all’incumbent nel caso di impianti in cui la riservatezza dell’applicazione richiede di non specificare il punto esatto di locazione (es area1 indicata in figura). Le valutazioni di coesistenza si effettuano individuando posizioni specifiche in cui il nuovo servizio non può essere installato (ad es. BS1(x1,y1), oppure attraverso l’individuazione di aree specifiche dove l’installazione della nuova tecnologia è esclusa (es. area2 in figura). Infine, aree in cui è possibile l’installazione della nuova tecnologia ma con opportune restrizioni quali, massima potenza emessa dall’impianto oppure puntamento di antenna non in direzione dell’interferito, che sono misurate e indicate come “aree di restrizione” (es area3 in figura).

In aggiunta, per meglio definire le procedure di condivisione, ciascuno Stato membro recepisce le indicazioni CEPT, ma a sua volta definisce delle procedure più calzanti al contesto nazionale a cui farà riferimento in fase di introduzione operativa della nuova tecnologia.

Il contesto nazionale

Nello specifico, nel contesto nazionale, nell’individuazione delle procedure d’asta delle frequenze pioniere assegnate al 5G conclusasi il 2 ottobre 2018, sono state incluse procedure per la protezione dei sistemi esistenti nelle bande in questione. Tali procedure – in conformità con le prescrizioni dell’Avviso Pubblico del Bando di Gara [8]; del relativo Disciplinare [9]; e della delibera n. 231/18/CONS di riferimento dell’Autorità per le Garanzie nelle Comunicazioni [10] – permettono di specificare le modalità di condivisione delle frequenze e le modalità di verifica della protezione delle utilizzazioni esistenti, sia nella stessa banda che in banda adiacente, attraverso l’applicazione dei principi generali indicati nelle normative tecniche di riferimento internazionali (ITU, CEPT). In questo modo è possibile fornire specifiche tecniche di coesistenza tra servizi 5G e servizi incumbent da proteggere nella banda 3600-3800 MHz e nella banda 26.5 -27.5 GHz considerando diversi scenari di applicazione reali.

Le procedure descritte sono state applicate prima dell’avvio dell’asta per individuare eventuali aree di esclusione di installazione di impianti 5G al fine di mitigare interferenze con sistemi esistenti. Successivamente alla chiusura dell’asta, al fine di garantire una continua ed efficiente coesistenza tra i differenti sistemi, il MISE continua a seguire i piani di sviluppo della rete 5G nel Paese in modo da individuare e promuovere, se necessario, l’adozione di specifiche tecniche di coordinamento o mitigazione per facilitare ulteriormente la coesistenza tra servizi 5G e incumbent, garantendo così ad entrambi la protezione adeguata e consentendo al tempo stesso un efficiente sviluppo delle reti. In tale attività la Fondazione Bordoni svolge un ruolo attivo fornendo le indicazioni per effettuare le elaborazioni necessarie alle valutazioni di coesistenza in contesti specifici reali [11], [12].

Conclusioni

L’introduzione di una nuova tecnologia, essendo lo spettro radio una risorsa pregiata, richiede la tutela dei sistemi esistenti che hanno la stessa occupazione spettrale al fine di garantire un funzionamento coerente e armonico di tutte le tecnologie in campo. Al riguardo, enti preposti a livello mondiale, quali l’ITU, e a livello europeo, come la CEPT, si occupano di predisporre le norme tecniche per garantire la coesistenza di servizi diversi nelle stesse bande o in bande adiacenti, mentre le autorità nazionali (MISE, AGCOM) garantiscono l’applicazione di tali norme, consentendo il funzionamento dei sistemi in modo da evitare interferenze reciproche.

Le attività normative svolte a livello internazionale (ITU) ed europeo (CEPT) portano alla definizione di linee guida procedurali da implementare al fine di garantire il corretto funzionamento di tutti i sistemi. Tali linee guida normative sono successivamente recepite dai vari Stati Membri i quali, laddove necessario, definiscono delle procedure specifiche legate al contesto nazionale in cui si trovano ad operare.

Tali attività di analisi e verifica della coesistenza, in continua evoluzione sulla base degli aggiornamenti della normativa tecnica di riferimento, hanno lo scopo, da un lato di tutelare i sistemi già esistenti per cui è impensabile che l’introduzione di una nuova tecnologia possa comprometterne l’operatività, dall’altra di promuovere l’introduzione e lo sviluppo delle nuove tecnologie ottimizzando le procedure per evitare situazioni interferenziali.

In definitiva, un’armonizzazione dello spettro basata sulle normative tecniche internazionali ed europee garantisce che tutte le tecnologie abbiamo il proprio ambito di azione senza inficiare nel corretto funzionamento delle tecnologie che operano nella stessa banda e, dove risultasse necessario, anche nelle bande adiacenti.

Tale paradigma, adottato da sempre nell’ambito dell’armonizzazione dello spettro, viene seguito da tutti i sistemi e a maggior ragione per i sistemi di nuova generazione come il 5G, la cui introduzione vuole promuovere un uso sempre più efficace ed efficiente dello spettro e non introdurre ulteriori vulnerabilità, che porterebbero alla difficile diffusione delle tecnologie stesse e, quindi, a un rallentamento dello sviluppo.

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Bibliografia

ITU-R-WP5D/TEMP/548-E: IMT Vision – “Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond”, February 2015.

https://www.3gpp.org/

RSPF18-005 FINAL, Radio Spectrum Policy Group “Strategic Spectrum roadmap Towards 5G for Europe – RSPG Second Opinion on 5G networks”, Brussels, 30 January 2018

https://www.itu.int/en/ITU-R/conferences/wrc/Pages/default.aspx

https://www.cept.org/

CEPT Report 68: “Report B from CEPT to the European Commission in response to the Mandate “to develop harmonised technical conditions for spectrum use in support of the introduction of next-generation (5G) terrestrial wireless systems in the Union” Harmonised technical conditions for the 24.25-27.5 GHz (’26 GHz’) frequency band Report approved on 6 July 2018 by the ECC.

ECC Decision(18)06, “Harmonised technical conditions for Mobile/Fixed Communications Networks (MFCN) in the band 24.25-27.5 GHz,” July 2018.

Avviso pubblcio pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale della Repubblica Italiana n.80 dell’11 luglio 2018, Quinta serie special-COntratti Pubblici, e approvato con determina direttoriale n. 45205 DGSCERP del 10 luglio 2018.

Disciplinare di Gara “Procedura Per L’assegnazione Di Diritti D’uso Delle Frequenze Nelle Bande 694-790 MHz, 3600-3800 MHz E 26.5-27.5 GHz, Su Base Nazionale, Per L’utilizzo Per L’offerta Di Servizi Pubblici Terrestri Di Comunicazione Elettronica A Larga Banda E Ultra-Larga, Di Cui Alla Delibera N. 231/18/Cons Del 23 Maggio 2018 Dell’autorità Per Le Garanzie Nelle Comunicazioni”, Luglio 2018.

Delibera 231/18/CONS “Procedure per l’Assegnazione e Regole per l’Utilizzo delle Frequenze disponibili nelle Bande 694-700 MHz, 3600-3800 MHz e 26.6-27.5 GHz per Sistemi Terrestri di Comunicazioni Elettroniche al fine di Favorire la Transizione verso la Tecnologia 5G, ai Sensi della Legge 27 Dicembre 2017, N.205”, Maggio 2018.

C. Carciofi, P. Grazioso, F. Matera, V. Petrini: “Study of coexistence between different services in novel 5G Frequency Bands”, EuCNC 2019.

D. Guiducci ; C. Carciofi ; C. Cecchetti ; V. Petrini ; M. Vaser ; E. Ricci ; E. Restuccia ; G. Fusco “Experimental analysis on possible coexistence issues related to the introduction of LTE in the 2300–2400 MHz band”, 2017 European Conference on Networks and Communications (EuCNC).

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