Mentre gli enti di standardizzazione mondiali iniziano a definire la prossima generazione di reti wireless, gli scopi e gli obiettivi del 5G costringono i ricercatori a cambiare il proprio modo di pensare. Aumentare l'efficienza spettrale di una rete basata sul 4G non è sufficiente a garantire la latenza richiesta e la capacità di banda necessaria ai tre casi d'uso più avanzati del 5G , ma è necessario ben altro. Il caso d'uso eMbb (Enhanced mobile broadband), definito dall'Imt 2020, prevede velocità massime di trasferimento dati superiori a 10 Gbps, 100 volte più rapide del 4G. Le velocità di trasferimento sono legate empiricamente allo spettro disponibile secondo il teorema di Shannon-Hartley, che calcola la capacità del canale in funzione della larghezza di banda (lo spettro) e al rumore del canale. Con uno spettro inferiore a 6 GHz completamente allocato, lo spettro superiore a 6 GHz, soprattutto nel range ad onde millimetriche, rappresenta un'alternativa interessante per affrontare il caso d'uso eMbb. Ma a quale frequenza mmWave?
Quali sono le frequenze migliori?
Mentre l'Itu e altri enti di standardizzazione hanno stabilito il 2020 come termine ultimo per la definizione dello standard 5G, i fornitori di cellulari lavorano con tempistiche inferiori per fornire il servizio 5G. Negli Stati Uniti, Verizon e AT&T programmano di testare una prima versione del 5G nel 2017. La Corea sta lavorando per sperimentare il 5G alle Olimpiadi del 2018, il Giappone vuole mostrare il funzionamento delle tecnologie 5G alle Olimpiadi di Tokyo del 2020. Con gruppi e motivazioni differenti, si stanno facendo strada una serie di frequenze candidate al 5G: da 28 GHz, 39 GHz, e 73 GHz.
Queste tre bande di frequenza sono emerse per motivi differenti. Innanzitutto, rispetto alla banda da 60 GHz, che ha una perdita approssimativa di 20 dB/Km dovuta all'assorbimento dell'ossigeno, prevedono tassi di assorbimento da ossigeno molto più bassi. Si rivelano, quindi, più adatte alle comunicazioni a lunga distanza. Queste frequenze, inoltre, funzionano bene anche in ambienti multipath e possono essere impiegate per le comunicazioni NLoS (Non-line-of-sight). Combinando antenne altamente direzionali con tecnologie di beamforming e beamtracking, le onde millimetriche sono in grado di fornire un collegamento affidabile ed estremamante sicuro. Il dott. Ted Rappaport, con gli studenti di ingegneria del Politecnico di New York, ha già dato inizio a ricerche sulle proprietà dei canali e sui possibili rendimenti a 28, 39 e 73 GHz. Ha pubblicato diversi articoli riguardanti le misure di propagazione e studi su eventuali interruzioni di servizio a queste frequenze. I dati e le ricerche su queste bande, combinati con la disponibilità degli spettri a livello mondiale, rendono queste tre frequenze il punto d'inizio per la prototipazione mmWave. Come accennato in precedenza, i service provider sono ansiosi di accedere ad uno spettro mmWave ampio e non allocato. Sono i principali influencer per le frequenze impiegate in questo spettro. Nel 2015, Samsung, effettuando misure sul canale, ha dimostrato che la frequenza da 28 GHz era adatta alle comunicazioni cellulari. Le misure hanno confermato la perdita di path prevista negli ambienti urbani (l'esponente di path loss è di 3,53 nei collegamenti NLoS) e, secondo l’azienda, questi dati suggeriscono che è possibile supportare un canale di comunicazione mmWave per oltre 200 m di distanza. La ricerca includeva anche uno studio con le antenne phased array. Samsung ha iniziato così a definire progetti che potrebbero inserire la tecnologia phased array all'interno dei cellulari. In Giappone, NTT Docomo, insieme a Nokia, Samsung, Ericsson, Huawei e Fujitsu, ha eseguito prove sul campo a 28 GHz e ad altre frequenze. Nel settembre 2015, Verizon ha annunciato il desiderio di effettuare esperimenti sul campo con partner importanti, come ad esempio nel 2016 con Samsung, negli Stati Uniti. Nel novembre 2015 Qualcomm ha condotto esperimenti a 28 GHz con 128 antenne per spiegare il funzionamento della tecnologia mmWave in un ambiente denso urbano, mostrando come il beamforming direzionale possa essere impiegato per le comunicazioni NLoS. Dopo l'annuncio di Ffc sull'impiego dello spettro da 28 GHz nelle comunicazioni mobile, si attendono negli Stati Uniti ulteriori esperimenti e prove sul campo. Verizon ha, inoltre, concluso un accordo con XO Communications per l’affitto dello spettro da 28 GHz con l'opzione di acquisto entro la fine del 2018.
La banda da 28 GHz non appare, però, nella lista di Itu delle frequenze utilizzabili a livello mondiale. È ancora da stabilire se diventerà o meno la frequenza a lungo termine per le applicazioni mmWave del 5G. La disponibilità dello spettro negli Stati Uniti, in Corea, Giappone e l'impegno dei service provider statunitensi nei primi esperimenti sul campo, potrebbero lanciare i 28 GHz nella tecnologia mobile statunitense indipendentemente dagli standard mondiali. Il desiderio della Corea di presentare la tecnologia 5G alle Olimpiadi del 2018 potrebbe portare i 28 GHz nei prodotti di consumo prima che gli enti di standardizzazione definiscano gli standard del 5G. La mancanza di questa frequenza nella lista degli spettri dell'International Mobile Telecommunications non è passata inosservata, attirando una certa attenzione da parte della Fcc.
I prototipi che promuovono le onde millimetriche
Anche se l'eventuale adozione della banda da 28 GHz per il 5G può non essere presa in considerazione per un periodo di tempo o addirittura scartata, al momento è chiaramente importante. Le comunicazioni mobile negli ultimi anni si sono concentrate anche sui 73 GHz, sulle frequenze E-band. Nokia ha utilizzato le misure del canale prese da NYU a 73 GHz per iniziare le proprie ricerche a questa frequenza. Nel 2014 alla conferenza annuale degli utenti NI, NIWeek, Nokia ha utilizzato l'hardware di prototipazione NI per presentare la prima demo over-the-air funzionante a 73 GHz. L'azienda ha continuato poi a sviluppare il prototipo con dimostrazioni pubbliche, mostrando i nuovi successi. Al Mobile World Congress del 2015, il sistema di prototipazione era in grado di effettuare il throughput dei dati ad oltre 2 Gbps, grazie ad un'antenna a lente e al beamtracking. Al Brooklyn 5G Summit del 2015 Nokia ha presentato una versione Mimodel sistema funzionante a 10 Gbps, e a distanza di meno di un anno, al MWC del 2016, un collegamento over-the-air a due direzioni funzionante ad oltre 14 Gbps. Non è stata, però, l'unica azienda a presentare una demo funzionante a 73 GHz al MWC 2016, anche Huawei ha presentato un prototipo con la Deutsche Telekom. Utilizzando la Multi-user Mimo, la demo ha garantito un'efficienza dello spettro elevata, mostrando il potenziale per throughput superiori a 20 Gbps per gli utenti singoli. Una ricerca più dettagliata sui 73 GHz è prevista per i prossimi anni. Una delle caratteristiche di questa frequenza, che la distingue da quelle da 28 GHz e 29 GHz è la larghezza di banda contigua disponibile (superiore a 2 GHz), la più ampia tra gli spettri di frequenza proposti. In confronto, i 28 GHz offrono 850 MHz di banda e le due bande intorno ai 39 GHz una larghezza di banda da 1,6 GHz e 1,4 GHz negli Stati Uniti. Come accennato precedentemente, maggiore è la banda, superiore è la velocità di trasmissione dei dati. I 73 GHz hanno, quindi, un grande vantaggio sulle altre frequenze menzionate. Si stanno analizzando anche le bande da 39 GHz, ma il sostegno pubblico e la ricerca non hanno preso corpo in modo significativo. Questa frequenza ha delle caratteristiche che potrebbero renderla un range di compromesso per un'adozione più ampia. Il Fcc ha proposto la banda da 39 GHz per l'utilizzo mobile. Anche se per le prime prove su campo del 2017 si sta concentrando sui 28 GHz, Verizon ha accesso ai 39 GHz grazie al suo rapporto commerciale con XO Communications, che ha licenze importanti nei 39 GHz. Ancora una volta, però, il supporto pubblico e il riconoscimento della ricerca nei confronti dei 28 GHz e 73 GHz sono più visibili rispetto a quelli su altre frequenze. Per trarre vantaggi dalla promessa delle onde millimetriche per il 5G, i ricercatori devono sviluppare nuove tecnologie, algoritmi e protocolli di comunicazione perché le proprietà fondamentali del canale mmWave sono diverse dai modelli cellulari attuali e relativamente ignote. L'importanza di creare prototipi mmWave non può essere sottovalutata, soprattutto in questo periodo iniziale. Creare prototipi di sistemi mmWave dimostra l'applicabilità e l’attualità di una tecnologia o concetto, che le simulazioni da sole non potrebbero dimostrare. I prototipi mmWave che comunicano in tempo reale e via etere in una varietà di scenari riveleranno i segreti del canale mmWave e consentiranno innovazioni, l'adozione della tecnologia e la sua proliferazione.
Le sfide
Le onde millimetriche per l'accesso mobile creano diverse sfide, tra cui la disponibilità di silicio commerciale, di componenti analogici e altri elementi fondamentali per lo sviluppo dei sistemi, ostacolando la commercializzazione. Basta pensare a un sottosistema con banda base in grado di elaborare un segnale multi-gigahertz. Gran parte delle implementazioni Lte odierne, generalmente, utilizzano canali da 10 MHz (20 MHz al massimo) e il carico computazionale aumenta linearmente con la larghezza della banda. In altre parole, la capacità di calcolo deve aumentare di 100 volte o più per far fronte alle esigenze di trasferimento dei dati del 5G. Per gestire i calcoli del livello fisico del sistema mmWave per l'infrastruttura, gli Fpga sono una tecnologia essenziale perché sviluppano prototipi real-time. Dopo tutto, la motivazione del passaggio alle onde millimetriche è l'esistenza di numerose larghezze di banda contigue. Oltre alle schede Fpga, un sistema di prototipazione mmWave necessita di Dac e Adc all'avanguardia per acquisire fino a 2 GHz di banda contigua. Oggi, sul mercato alcuni Rfic includono chip, in grado di convertirsi tra banda base e frequenze mmWave, ma si tratta di opzioni limitate e per lo più riguardanti la banda senza licenza da 60 GHz. Gli ingegneri possono utilizzare le fasi IF e RF come alternativa alle Rfic. Una volta sviluppate soluzioni IF e in banda base, gli ingegneri dispongono di qualche opzione in più fornita dai venditori per i terminali radio mmWave rispetto agli Rfic in banda base, ma non di molte. Lo sviluppo di un terminale radio mmWave richiede esperienza nella progettazione a radiofrequenza e microonde. Si tratta di competenze completamente diverse da quelle impiegate per lo sviluppo di schede Fpga. Mettere insieme tutto l'hardware necessario richiede, quindi, un team con più esperienze. Gli Fpga devono essere considerati componenti chiave in un sistema di prototipazione mmWave in banda base e la programmazione di un sistema a più Fpga, capace di elaborare canali da multi-gigahertz, aumenta la complessità del sistema.
La tecnologia mmWave per il 5G è inevitabile
Il mmWave Transceiver System di National Instruments fornisce una serie di hardware di prototipazione mmWave configurabili e codice sorgente a livello fisico per affrontare le complessità e le sfide a livello di software. Il livello fisico si occupa degli aspetti fondamentali della banda base del sistema mmWave, fornisce astrazioni per il trasferimento dei dati e l'elaborazione tra le diverse schede Fpga, semplificando l'integrazione. Questi strumenti sono progettati per accelerare la transizione di nuovi prototipi nei sistemi e prodotti che diventeranno essenziali per lo sviluppo della tecnologia 5G. Anche se il futuro del 5G non è ancora chiaro, sicuramente le onde millimetriche saranno una delle tecnologie impiegate per definirlo. Per soddisfare i requisiti di throughput dei dati è necessaria la grande quantità di banda contigua disponibile sopra i 24 GHz, e i ricercatori hanno già utilizzato prototipi per dimostrare che la tecnologia mmWave è in grado di fornire velocità di trasmissione superiori a 14 Gbps. Resta solo da rispondere alla domanda senza risposta più grande: quale frequenza sarà ampiamente adottata per il 5G.
