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5G, marketing o rivoluzione? Tutta la realtà che c’è dietro il sogno

C’è chi dichiara di avere iniziato a sperimentare il 5G. In realtà si stanno vagliando alcune tecnologie/frequenze che potrebbero essere utilizzate. Da qui a dire che questo sia il 5G ce ne corre: vediamo cosa c’è di vero dietro al mito

10 Mag 2017
Roberto Saracco

coordinatore Gruppo di lavoro “Intelligenza Artificiale” di Anitec-Assinform

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What is becoming crystal clear is that 5G is not just a discussion about a network technology where consumers will have a bigger and faster pipe. 5G is a technology, business model and ecosystem overhaul in which operators will no longer be selling airtime packages and handsets but instead offer consumers an all-IP network experience for many types of consumer devices.”  (Fierce Wireless)

Key drivers to 5G will be:

  • a multitude of diverse devices (distributed, embedded, wearable, pervasive)
  • predominance of machine-to-machine communications
  • dynamic networking and air-interfaces
  • improved coverage mechanisms
  • improved and dynamic spectrum usage.

Hence it will need to provide higher speed with lower latency

(IEEE Vision Statement)

Scusate, per un errore di battitura nelle frasi precedenti è stato scritto 5G, mentre nelle frasi originali era scritto 4G (le frasi risalgono ad inizio anni 2000).  Se non vi siete accorti dell’errore forse è perché oggi queste frasi vengono riciclate come visione e requisiti per il 5G. E questo è un’indicazione del fatto che per il 5G siamo più in una fase di marketing che non di reale sviluppo.

Interessante notare come nelle “visioni” precedenti, relative al 4G, fossero esplicitati due elementi di cui uno valido anche per il 6,7,8 …G (più banda, meno latenza) e l’altro relativo ad un cambio di struttura del mercato con ingresso di nuovi attori e riposizionamento degli operatori attuali.

Posto quindi che il “sogno” del 5G è molto simile a quello del 4G, e a quello futuro del 6G…, credo sia più interessante chiedersi quali sono gli abilitatori tecnologici che possono creare un 5G e quali le implicazioni di business/mercato che possono spingere in una direzione piuttosto che in un’altra.  In questa prima parte affronto gli aspetti tecnologici.

Abilitatori tecnologici

La tecnologia nel settore ICT ha fatto notevoli progressi in questi 10 anni (10 anni è il ciclo di sviluppo di una tecnologia wireless, il ciclo di vita è intorno ai 30 anni, 10 di sviluppo e 20 di mercato). In termini di capacità elaborativa 10 anni significano un incremento di 64 volte. Tenendo conto che una nuova generazione continua ad evolvere per almeno altri 10 anni (fino a che viene sopravanzata dalla nuova, abbiamo previsioni di evoluzione per il 4G fino almeno al 2023) questo significa che la capacità elaborativa a regime di sistemi utilizzabili nel 5G saranno di oltre 8.000 volte (forse un po’ meno visto il rallentamento della evoluzione dei chip-legge di Moore) quelle disponibili in sistemi 4G “iniziali”!

Che impatti ha questa crescita di capacità elaborativa?  Molti, ma vorrei evidenziarne due, la capacità di gestione dinamica dello spettro e il ribilanciamento del controllo tra terminale e rete.

Gestione dinamica dello spettro

Nei primi sistemi wireless il terminale era in grado di gestire solo un ristretto numero di bande spettrali (una sola all’inizio) poi man mano l’aumentata capacità elaborativa ha consentito la gestione contemporanea di più bande spettrali e di più sistemi di codifica. Gli odierni smart phone sono in grado di gestire, ad esempio, la codifica di GSM, 3G, LTE e WiFi e commutano l’accesso per ottimizzare qualità e costi (quando si entra in casa lo smart phone si collega autonomamente alla rete WiFi locale per comunicazioni dati).

Per il 5G la disponibilità di un’enorme capacità elaborativa ha aperto la discussione sulla possibilità di utilizzare molte bande, dal 700MHz ad oltre 95GHz con una possibilità di accedere ad una decina di “bande spettrali”.  Qui occorre fare due osservazioni.

La prima è che l’efficienza spettrale (cioè il numero di “bit” che si possono codificare su di un singolo Hz) ha ormai raggiunto, con la modulazione OFDM e 64QAM usata nel 4G, il limite di Shannon, cioè il confine di quanto è fisicamente possibile fare.
Quando si parla di un aumento di efficienza spettrale con il 5G si … bara. Certo, abbiamo dei dimostratori che fanno vedere un’efficienza spettrale incredibile. Il record attuale è di 145, 6 b/s/Hz (codifica 256QAM), una cifra mostruosa, visto che l’efficienza spettrale normale è intorno ai 2,5 b/s/Hz!

Come avviene il “miracolo”, visto che si va ben oltre il limite di Shannon? Barando, per l’appunto. La comunicazione viene effettuata utilizzando molte antenne in contemporanea, 128 nel caso del record. In questo modo anziché utilizzare un canale di comunicazione se ne usano molti (MIMO) e la disposizione delle antenne unita ad un software che decodifica il segnale permette di risolvere l’interferenza.

Questo aumento di efficienza spettrale (virtuale) non è quindi una proprietà del 5G, tanto è vero che è già oggi utilizzato nel WiFi di casa (due antenne invece di una…) e nel 4G. Il vincolo per l’utilizzo è di tipo computazionale (quanta più capacità elaborativa dispongo, tanti più canali in contemporanea riesco a elaborare e quindi a risolvere l’interferenza di n-1 canali a fronte di n antenne) la seconda di tipo spaziale/topologico.

Occorre cioè che le antenne siano separate tra loro di almeno mezza lunghezza d’onda (ecco perché nella stazione WiFi di casa vediamo le antenne piazzate agli estremi della scatoletta…).  Quanto più sale la frequenza utilizzata (multiGHz) tanto più vicine possono essere le antenne e quindi la possibilità di utilizzare onde millimetriche, 50GHz e oltre, permette di usare array intelligenti di antenne –massive MIMO.

La seconda osservazione è che nel wireless, come in molti altri settori, occorre raggiungere un trade-off tra vari parametri. Nel wireless sostanzialmente abbiamo che quanto più bassa è la frequenza tanto migliore è la propagazione, ma tanto più alta è la frequenza e tanto più “spazio” ho per codificare l’informazione, e quindi maggiore sarà la banda disponibile.

L’utilizzazione di frequenze oltre i 5GHz è critica dal punto di vista della propagazione (immaginiamo quanto siano critiche le frequenze oltre i 50GHz) e questo lo si risolve utilizzando celle più piccole –dove è richiesta meno propagazione. Quindi, l’utilizzo di frequenze elevate nel 5G avrà un effetto moltiplicatore di banda:

–        essendo la frequenza più elevata sarà possibile avere una porzione di spettro più ampia utilizzabile (dare 10MHz di spettro su una frequenza di 1 GHz è equivalente a dare 500MHz su una frequenza di 50 GHz ma è chiaro che in 500MHz possono codificare 50 volte più bit);

–       essendo la cella più piccola vi saranno meno utilizzatori a condividersi la banda, quindi ce ne sarà di più per ognuno di loro; oppure, a parità di superficie dovrò installare più celle e quindi moltiplicherò la banda complessiva disponibile.
Ribilanciamento del controllo tra terminale e rete

La disponibilità di una pluralità di bande su varie frequenze potrà essere fruita grazie alla maggiore capacità elaborativa disponibile nei terminali e tale capacità elaborativa potrà essere sfruttata anche per una gestione dinamica della banda, cioè l’utilizzo di più bande all’interno di una singola sessione di comunicazione. Una parte della comunicazione potrebbe essere gestita su una banda –con relativo schema di codifica e protocollo di trasporto, mentre un’altra parte potrebbe essere gestita su una banda diversa con altri schemi e protocolli.

Ad esempio un autoveicolo in area urbana potrebbe ricevere informazioni tramite LiFi (dati modulati attraverso i LED dell’illuminazione stradale) e usare come canale upstream in alcuni momenti una comunicazione in banda 3.5GHz verso una basestation e in altri (o in contemporanea) una comunicazione in banda 95GHz con l’autoveicolo che si trova di fianco.

Interessante notare che il ruolo di gestore della banda e della scelta del canale all’interno di una comunicazione, può essere preso dal terminale e non più gestito dalla rete.  In effetti, il terminale non è più un terminale ma diventa un nodo della rete complessiva, rete fatta da una molteplicità di sottoreti ciascuna “posseduta” da attori indipendenti l’uno dall’altro.

Si noti come in prospettiva il terminale/nodo effettui una scelta autonoma di risorse per effettuare una comunicazione, sulla base delle risorse che ha sotto il suo controllo e nella sua visibilità.

Su questo versante abbiamo degli abilitatori tecnologici che vanno sotto il nome si SDN/NFV o in linguaggio 5G di Network Slicing. L’idea è che tra le molteplici risorse disponibili a livello delle reti raggiungibili da un certo punto da un terminale 5G sia possibile selezionare ed utilizzare le risorse che “servono” per l’esecuzione/fruizione di un certo servizio.

Il terminale, in un’ottica 5G, potrebbe acquisire un ruolo primario in questa selezione/allocazione, a differenza di quanto accade oggi in cui tutte le risorse, incluse quelle radio, sono allocate dall’Operatore(i) che controlla l’accesso e la sessione (livello OSI). Si noti, ad esempio, che la latenza non è sostanzialmente un parametro della parte radio: il campo elettromagnetico si propaga a velocità costante (in dipendenza dal mezzo) e quindi la latenza trasmissiva dovuta alla parte radio dipende solo dalla distanza ed è invariante rispetto alla codifica e modulazione (questa influisce nel senso di tempo che si impiega nella codifica e decodifica).

Dire quindi che si vuole ottenere un ritardo max di 1ms significa lavorare sulla parte architetturale della intera connessione, diminuendo i “salti” (hop) e le conversioni ottico/elettrico (si noti altresì che una distanza di 300km comporta un ritardo di 1ms non comprimibile in alcun modo!). Ad esempio, assicurare latenze inferiori a 1ms per una comunicazione tra autoveicoli comporta il set up di una rete locale diretta tra i veicoli, senza dover passare attraverso un backbone in cui le varie trasduzioni porterebbero oltre il ms di latenza. Analogo discorso nel controllo di una catena di robot (ammesso che il vincolo di 1ms sia indispensabile).

In conclusione

Questo insieme di considerazioni di natura tecnologica e architetturale influenzano in modo significativo gli scenari di business e di mercato e questi, a loro volta, influenzeranno le scelte e le evoluzioni tecnologiche, come cercherò di illustrare in un articolo successivo.

Il 5G al momento è ancora una nuvola in uno spazio intergalattico che si condenserà in un sistema planetario. Come questo sistema sarà è ancora da definire. I lavori di standardizzazione sono partiti ma non si concluderanno che a fine decade. Nel frattempo, già oggi, vi sono alcuni attori che dichiarano di avere iniziato delle sperimentazioni di 5G. In realtà questi stanno sperimentando alcune tecnologie/frequenze che potrebbero essere utilizzate. Da qui 10a dire che quanto viene sperimentato sia il 5G ce ne corre.

Per ora l’architettura è di tipo 5GTTP, 5G To The Press, di qui l’abbondanza di articoli sul tema. Molte dichiarazioni che devono ancora trovare un riscontro nei fatti.

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