comunicazioni mobili

6G: come sta evolvendo l’ecosistema delle comunicazioni

La massiccia commercializzazione del 6G potrebbe iniziare dopo il 2030, ma sono già molti gli aspetti da affrontare in ambito internazionale: standardizzazione tecnologica, aspetti tecnico-regolamentari, politiche di gestione dello spettro. Il punto

Pubblicato il 5 set 2023

Valeria Petrini

Ricercatrice Fondazione Ugo Bordoni

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I sistemi di comunicazione mobile si sono evoluti nel corso di più generazioni, dal 3G al 5G con una nuova generazione tecnologica ogni 10 anni circa. La prima commercializzazione del 6G potrebbe avvenire prima del 2030, ed estendersi in modo rilevante negli anni successivi.

Verso il 6G: modelli e strategie per l’ecosistema italiano e Ue

Indice degli argomenti

6G: verso la definizione di ogni nuovo sistema di comunicazione mobile

Gli scenari di utilizzo rappresentativi dei servizi 5G, ossia enhanced mobile bradband (eMBB), comunicazioni ultra-affidabili e a bassa latenza (ultra-reliable and low latency communications, URLLC), e le massive machine-type communications (mMTC) continueranno a migliorare mentre ci si muove verso il 6G.

Progressi tecnologici nel campo dell’imaging e dell’intelligenza artificiale, nonché progressi nel campo del sensing, saranno blocchi importanti per i servizi innovativi che si pensa emergeranno con il 6G. I nuovi servizi e le nuove applicazioni, come ad esempio la realtà estesa ‘veramente immersiva’ (extended reality, XR), ologramma mobile ad alta fedeltà e replica digitale, che dovrebbero essere abilitati dalla futura tecnologia di comunicazione wireless, saranno introdotti attraverso “l’iperconnettività” che dovrebbe coinvolgere gli esseri umani, le macchine e vari altri oggetti fornendo un’esperienza multimediale ottimale.

Nella definizione di ogni nuovo sistema di comunicazione mobile, sono vari gli aspetti su cui si deve lavorare in ambito internazionale per poter raggiungere gli obiettivi per l’implementazione degli use case emergenti. Le attività riguardano la standardizzazione tecnologica, aspetti tecnico-regolamentari, lo studio di quali siano le esigenze di spettro e le modalità di gestione dello spettro stesso nonché la determinazione delle opportune politiche di gestione dello spettro.

Scenari di utilizzo e capabilities

Il gruppo ITU WP 5D (International Telecommunication Union Working Party 5D), che si occupa dei sistemi IMT (International Mobile Telecommunications) ha terminato la bozza della nuova raccomandazione in cui viene delineato il framework per l’IMT-2030 ed oltre definendo i nuovi scenari di utilizzo e le capabilities attese per la nuova tecnologia IMT-2030 [1]. Il WP 5D sta inoltre lavorando ad un nuovo report in cui viene studiata la fattibilità tecnica dell’IMT al di sopra dei 100 GHz [2], anch’esso in fase di finalizzazione.

In ambito europeo, il Radio Spectrum Policy Group (RSPG), ha recentemente approvato la bozza di un’Opinion sullo sviluppo del 6G in relazione alle possibili implicazioni sulle esigenze di spettro e all’orientamento sull’introduzione delle future reti wireless a banda larga, per la quale erano stati richiesti commenti entro il 25 agosto 2023 [3].

Al fine soddisfare i requisiti delle varie applicazioni emergenti, i sistemi IMT-2030 dovranno interagire con altri sistemi radio, come le RLAN (Radio local area networks), le reti di accesso wireless a banda larga, le reti broadcast e i loro possibili miglioramenti futuri.

La copertura wireless si espanderà da “copertura della popolazione” 2D sulla superficie terrestre alla “copertura globale e spaziale” 3D. L’integrazione di sistemi di comunicazione non terrestri e terrestri consentirà di ottenere la copertura 3D globale.

6G, l’interazione con altre tecnologie

L’IMT-2030 interagirà con altre tecnologie per integrare la componente terrestre dell’IMT, con i sistemi spaziali (ovvero i satelliti in orbita geostazionaria (GSO) e non geostazionaria (NGSO)) e i sistemi aerei (ovvero le High Altitude Platforms Stations (HAPS) e gli Unmanned Aircraft Systems (UAS)).

La tecnologia satellitare ha fatto passi da gigante negli ultimi anni, migliorando le capacità di lancio e la riduzione delle dimensioni dei satelliti. Inoltre, vi è una crescente domanda di connettività in movimento, per la quale le “earth stations in motion (ESIM)” a bordo di aeromobili, navi e veicoli terrestri svolgono un ruolo importante.

Principalmente, l’interazione del satellite con la rete terrestre può rendere fattibili le promesse del 5G come la connettività ubiqua, eMBB e mMTC, mentre il futuro 6G propone una rete terrestre-satellitare completamente integrata in cui gli utenti devono interfacciarsi in modo trasparente sia con reti terrestri che satellitari.

In ambito 3GPP (3rd Generation Partnership Project) si sta lavorando alla standardizzazione sulla nuova tecnologia mobile e le aspettative attuali sono che i lavori sulle specifiche ufficiali sugli standard 6G inizieranno intorno al 2025.

Le specifiche sulla non-terrestrial network

Lo scorso marzo sono state completate le specifiche sulla non-terrestrial network (NTN) nella Release 17 che supporta:

NTN-NR: specifiche per l’accesso diretto del satellite 5G al dispositivo portatile nel range di frequenze al di sotto di 7 GHz
NTN-IoT: specifiche per servizi satellitari diretti a bassa data rate (eMTC/NB-IoT, enhanced Machine-Type Communication/ Narrowband IoT) nel range di frequenze al di sotto di 7 GHz.

L’accesso diretto da satellite a dispositivo utente: il framework FCC

Relativamente all’accesso diretto da satellite a dispositivo utente la FCC (Federal Communication Commission) propone un nuovo quadro normativo per la copertura supplementare dallo spazio per facilitare l’integrazione delle reti satellitari e terrestri [4]. Anche in ambito europeo si è iniziato a parlare di questo tema: nell’ambito del gruppo CEPT (Conferenza Europea delle amministrazioni delle Poste e delle Telecomunicazioni) Working Group FM è stato approvato un nuovo work item (FM44_47) che ha l’obiettivo di esplorare quali sono gli elementi normativi e tecnici delle comunicazioni Direct-to-Cell (D2C) basate su satellite tramite gli smartphone disponibili esistenti.

l tema della nuova generazione delle comunicazioni d’emergenza

In questo contesto quest’anno iPhone ha lanciato in Italia due nuovi modelli di smartphone (iPhone 14 e iPhone 14 Pro) con i quali è possibile utilizzare la funzionalità “SOS emergenze” tramite satellite per inviare un messaggio ai servizi di emergenza quando si è fuori copertura cellulare e WiFi [5]. Questo servizio è stato utilizzato nei recenti incendi divampati nelle isole Hawaii che hanno distrutto la rete cellulare terrestre in alcune aree urbane [6]. In Europa, tutti i Paesi ripiegano sulle reti 2G/3G per le chiamate d’emergenza. Tuttavia, quando i Paesi inizieranno a disattivare le reti 2G/3G potrebbero sorgere problemi che coinvolgono rete, telefono, chipset e SIM (Subscriber Identity Module). Il tema della nuova generazione delle comunicazioni d’emergenza si sta affrontando in ambito CEPT all’interno del gruppo NaN3, sottogruppo del Working Group NaN (Numbering and Network).

La rete satellitare potrebbe essere un’alternativa all’utilizzo del VoLTE (Voice over LTE) per la gestione della comunicazione di un’emergenza finché la standardizzazione del VoLTE non sarà completata e una rete complementare una volta che il VoLTE sarà completamente operativo.

6G, che standard sarà?

Nel contesto in cui si sta sviluppando il 6G, in Europa, ci si chiede se il 6G sarà un futuro standard mobile o uno standard multi-tecnologico neutrale. Il 6G dovrà fare affidamento sui vantaggi dell’uso combinato di molteplici tecnologie di comunicazione per i casi d’uso 6G. Tra i temi trattati durante il workshop organizzato dalla CEPT sulle comunicazioni mobili 6G lo scorso giugno (29-30 giugno) [7] si è discusso anche di questo.

Nell’ambito del workshop si è affrontato il tema di quale possa essere il ruolo della tecnologia WiFi nell’evoluzione verso il 6G [8]. Considerando che in Europa, e non solo, la maggior parte del traffico è in indoor, è emerso che il WiFi potrebbe avere un ruolo importante per la fornitura di connettività a larga banda in ambienti chiusi, risultando la connessione complementare alla tecnologia radiomobile che potrebbe essere impiegata per soddisfare le esigenze di connettività outdoor. L’utilizzo della tecnologia WiFi per fornire i servizi previsti per il 6G è facilitata dall’iniziativa europea “European Digital Decade Policy Programme 2030 – “Gigabit for everyone”” [9] che prevede la distribuzione gigabit FTTH (Fiber to the Home) fino al punto di terminazione della rete [10] [11].

Risorse spettrali, i nodi sul tavolo alla prossima WRC-23

Un ruolo di rilievo in questo senso potrebbe assumerlo la decisone che verrà presa sulla banda 6 GHz alta (6425-7125 MHz) alla prossima WRC-23. Gli scenari che si possono presentare a seguito della WRC-23 sono

l’assegnazione della banda ad uso libero per WAS (Wireless Access System)/RLAN,
l’assegnazione ai servizi IMT (5G / IMT-2020 e sua evoluzione)
l’utilizzo condiviso (tra IMT licenziato ed uso libero per WAS/RLAN).

La CEPT all’ultimo meeting del gruppo ECC PT1 ha finalizzato la bozza di ECP (European Common Proposal) relativa all’Agenda Item 1.2 per la banda 6425-7125 MHz che dovrà essere discussa al prossimo meeting del gruppo CPG (Conference Preparatory Group) che si terrà a fine settembre (18-22 settembre) per l’approvazione. La CEPT accetterà un’identificazione IMT solo se le condizioni definite nella ECP saranno pienamente soddisfatte [12].

La valutazione di quale possa essere l’impatto economico dell’impiego della tecnologia WiFi rispetto all’uso della tecnologia cellulare, che potrebbe essere differente da Paese a Paese a livello globale, risulta essere un aspetto molto importante per la decisione della destinazione d’uso di una certa banda di frequenza. Il modo in cui viene assegnata una determinata risorsa radio supporta e limita cosa si possa fare con essa. Gli opportuni investimenti nelle infrastrutture di rete risulta essere un elemento di rilievo che determina la rapidità nello sviluppo della rete e quindi nella fornitura dei servizi.

In attesa degli esiti della destinazione della banda 6425-7125 MHz in ambito WRC-23, in Europa si sta lavorando allo studio della fattibilità di un uso condiviso dello spettro tra MFCN (Mobile/Fixed Communications Networks) e WAS/RLAN nella banda 6425-7125 MHz in linea con quanto indicato nella RSPG Opinion sulla WRC-23 [13]. In CEPT è stato avviato un Work Item (WI) specifico su questo tema (WI PT1_50). Ofcom (Office of Communications) lo scorso luglio ha avviato una consultazione pubblica per ricevere commenti e osservazione sulla proposta di sharing ibrido tra sistemi radiomobili licenziati e utilizzazioni WiFi nella banda 6425-7125 MHz [14].

Relativamente alle risorse spettrali che dovranno essere impiegate per la futura generazione dei sistemi IMT, in ambito CEPT si sta definendo la posizione che dovrà essere mantenuta in sede WRC-23 per l’Ai 10 per la definizione di nuovo Ai per la WRC-27. Al meeting del gruppo CPG (Conference Preparatory Group) PTA (Project Team A) dello scorso maggio, sono stati proposti diversi range di frequenza da prendere in considerazione per studi su una possibile identificazione futura IMT (Apple e Samsung hanno proposto i range di frequenza: 3800-4200 MHz, 4400-4800 MHz, 10.7-15.35 GHz e 18.1-19.7 GHz; Huawei, Ericsson, Nokia, Qualcomm e ZTE hanno proposto i range di frequenza: 7.125-8.5 GHz, 10.7-11.7 GHz, 11.7-12.75 GHz, 12.75-13.25 GHz, 14-14.5 GHz e 14.5-15.35 GHz). Gran parte delle bande di frequenza proposte sono utilizzate in Europa da altri sistemi incumbent (es. servizi fissi e servizi satellitari).

Nella definizione dello spettro per i nuovi sistemi 6G si dovrà considerare la necessità di migliorare l’efficienza spettrale in quanto in futuro sarà sempre meno probabile operare in spectrum free ma l’accesso allo spettro dovrà essere condiviso tra vari utilizzatori. Affinché l’innovazione non si fermi è quindi molto importante prevedere azioni che facilitino l’uso condiviso dello spettro. Tali azioni dovranno riguardare:

politiche di gestione dello spettro considerando metodi di allocazione agile (es. local licensing, temporary licensing..),
progettazione degli elementi della rete e dei dispositivi considerando un approccio sharing by design, sfruttando i progressi nella condivisione dello spettro ed i progressi tecnologici.
Implementazione di meccanismi avanzati di spectrum sharing.

L’intelligenza artificiale potrebbe assumere un ruolo rilevante nei prossimi anni per la futura gestione efficiente dello spettro.

Ad inizio agosto (3 agosto) la FCC ha avviato un procedimento per esplorare la fattibilità, i vantaggi e i limiti di tecniche come l’intelligenza artificiale per comprendere l’effettivo utilizzo dello spettro [15]. Man mano che l’ambiente wireless diventa più congestionato, sfruttare tecnologie come l’intelligenza artificiale per comprendere l’utilizzo delle risorse frequenziali e trarre informazioni da set di dati ampi e complessi può contribuire a favorire un uso più efficiente dello spettro e facilitare la definizione di nuove tecniche e approcci di condivisione delle frequenze per consentire la coesistenza tra utenti e servizi.

La rete di un grande provider wireless può, infatti, generare diversi milioni di misurazioni delle prestazioni ogni minuto. Utilizzando queste misurazioni, l’apprendimento automatico può fornire informazioni che aiutano a comprendere meglio l’utilizzo della rete, supportare una maggiore efficienza spettrale e migliorare la resilienza. L’indagine della FCC ha l’obiettivo di comprendere meglio l’utilizzo dello spettro in termini di geografia, frequenza e tempo per attuare politiche di gestione più intelligenti ed efficaci e contemporaneamente aiutare a supportare nuove capacità cognitive che potrebbero insegnare ai dispositivi wireless a gestire le trasmissioni in modo autonomo evitando interferenze.

Conclusioni

Al fine di poter implementare gli use case ed i servizi che si prevede vengano offerti dalle reti di prossima generazione è necessario lavorare su differenti elementi che riguardano l’evoluzione tecnologica, gli aspetti regolamentari, l’identificazione delle bande di frequenza più opportune per offrire determinati servizi, nonché l’individuazione di efficienti politiche di gestione dello spettro.

In ambito internazionale si sta lavorando sia alla definizione di un contesto comune che guidi l’industria e gli organi di regolamentazione verso obiettivi condivisi per lo sviluppo del 6G, sia ad aspetti più tecnologici riguardanti la fattibilità tecnica dell’IMT nelle bande sub-THz.

L’integrazione della rete terrestre e della rete non terrestre rappresentano un elemento chiave per il futuro sviluppo del 6G in cui l’evoluzione delle comunicazioni satellitari costituisce un asset strategico.

Un elemento chiave che guiderà lo sviluppo del 6G riguarda lo spettro che dovrà essere impiegato. Saranno necessarie più gamme di frequenza per soddisfare i requisiti di capacità e copertura dei servizi e delle applicazioni emergenti. Sarà necessario prevedere spettro sia licenziato che non licenziato in quanto i sistemi IMT-2030 dovranno interagire con altri sistemi radio, come le RLAN e le reti di accesso wireless a banda larga.

Inizialmente potranno esser utilizzate per il 6G le bande che sono state assegnate al 5G rappresentate dalle bande pioniere (banda 700 MHz, banda 3400-3800 MHz e banda 24.5-27.5 GHz).

La WRC-23 porrà le basi dello spettro per il 6G e la WRC del 2027 sarà molto importante per la definizione delle bande di frequenza che verranno impiegate per le comunicazioni di prossima generazione. Parallelamente, l’approccio orientato al mercato per lo spettro da dedicare al 6G può essere un elemento da considerare.