Le reti cellulari oggi possono facilmente trasmettere i video ad alta risoluzione, tanto bene che i servizi di streaming e di video-on-demand hanno avuto un successo straordinario e costituiscono ormai la stragrande maggioranza del traffico dati veicolato dagli operatori di rete mobile.

D’altro canto, gli operatori televisivi tradizionali (broadcaster) sono “soffocati” dall’evoluzione tecnologica e dalla nuova concorrenza di servizi come offerti dagli operatori "Over-The-Top", come Netflix, YouTube e tanti altri, che cambiano radicalmente le modalità di fruizione dei contenuti da parte di una sempre più vasta platea di pubblico.

Una recente proposta di evoluzione tecnologica (5G Broadcast) delle reti cellulari 5G potrebbe aiutare gli operatori di rete mobile e gli operatori televisivi a valorizzare i rispettivi punti di forza. Vediamo come funziona.

Le reti di comunicazione cellulari sono state sin dalla loro origine fondamentalmente pensate per ottimizzare le comunicazioni punto-punto, che nei protocolli IP successivamente affermatesi si declinano nella trasmissione di pacchetti unicast (da uno a uno), con flussi di dati indipendenti veicolati da un mittente al rispettivo singolo destinatario.

Successivamente, con l’introduzione dei protocolli multicast (da uno a molti), si è tentato di mitigare l’inefficienza del consumo di banda per la trasmissione sulle reti IP di uno stesso contenuto a una molteplicità di fruitori.

Le reti di diffusione radiotelevisiva (broadcast), al contrario, sono state da sempre ottimizzate per la trasmissione circolare di uno stesso contenuto a una platea potenzialmente illimitata di utenti.

Pertanto, nella diffusione di eventi a un numero contemporaneo di utenti molto elevato, caso tipico uno spettacolo e un evento sportivo trasmesso in diretta, oppure un messaggio di pubblica utilità che deve raggiungere la totalità della popolazione, mentre una rete radiomobile rischia la congestione, una rete di radiodiffusione continua a funzionare perfettamente senza alcuna difficoltà.

L’introduzione del servizio 5G Broadcast ha la potenzialità di creare un mercato globale di miliardi di smartphone, tablet e PC che potrebbero diventare ricevitori TV capaci di combinare in modo attraente trasmissioni televisive in diretta, video on demand, interazioni con social network e molti altri servizi multimediali.

Convergenza tra reti radiomobili e reti broadcast

L’idea di unire il meglio dei due mondi non è nuova, e già nelle specifiche Release 9 del 3GGP fu introdotto nelle reti LTE il supporto dei protocolli eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Service), pensati per favorire la diffusione circolare su larga scala di contenuti multimediali in diretta a una vasta platea di utenti senza intasare la rete.

Nelle specifiche Release 14 (LTE Advanced Pro), i protocolli e le tecniche di trasmissione sono state affinate e standardizzate nella forma FeMBMS (Further evolved MBMS), con caratteristiche più adatte per l’erogazione di servizi di TV mobile in modalità broadcast, ossia servizi caratterizzati da un elevato livello qualitativo dei contenuti video (HD e oltre), con qualità del servizio garantita (assenza di ritardi temporali) e con copertura di territori molto vasti (intere regioni o paesi).

Le reti terrestri per servizi broadcast TV e radio tradizionali sono generalmente costituite da un relativamente numero limitato di torri di alta potenza (HPHT, High Power High Tower) poste su alture naturali o artificiali, mentre le reti degli operatori di telefonia mobile sono costuituite da un sempre maggior numero di stazioni base a bassa potenza (LPLT, Low Power Low Tower) distribuite sul territorio.

Con un numero limitato di trasmettitori ad alta potenza e con altezza di antenna elevate a potenza isotropica effettiva irradiata (EIRP) dell’ordine da alcuni kW a molte decine di kW, si riesce a ottenere una copertura di grandi aree di servizio per i contenuti della TV tradizionale distribuiti a un pubblico di massa in uno scenario di ricezione fissa.

Al contrario, l’architettura degli operatori di telecomunicazione prevede una fitta rete di trasmettitori di bassa potenza e altezza d’antenna piuttosto basse che sono ottimizzati per la comunicazione unicast wireless verso dispositivi portatili su aree di copertura limitate, in grado di garantire una discreta copertura anche degli ambienti indoor nelle aree urbane.

L’integrazione delle due architetture permetterebbe di sfruttare i rispettivi punti di forza, per garantire da un lato una grande copertura del territorio con un limitato di trasmettitori di alta potenza, che permetterebbe di ‘scaricare’ il traffico tipicamente broadcast dalla rete capillare delle stazioni base, dall’altro la possibilità per gli utenti di ottenere sempre un’elevata qualità del servizio, ricevendo i segnali dall’infrastruttura più consona al tipo di servizio fruito.

Evoluzione degli standard 5G per il broadcasting

Nel nuovo standard 3GPP Release 16 delle reti 5G sono state introdotte ulteriori varianti che possono facilitare ulteriormente l’integrazione delle infrastrutture dei broadcaster con quelle degli operatori mobili.

In particolare, il nuovo standard supporterà sia la copertura di grandi aree tramite reti isofrequenziali (SFN, Single Frequency Network) per stazioni con un raggio di cella di circa 100 km, sia la mobilità dei terminali fino a una velocità di 250 km/h.

Ad esempio, è stato definito un prefisso ciclico (CP) più lungo, pari a 300 μs e una durata del simbolo di 2,7 ms, che facilita la ricezione sul tetto in rete con distanza tra i trasmettitori (ISD, Inter Site Distance) maggiori di 60 km.

Un’altra importante caratteristica degli standard pensata per il broadcasting è la possibilità di realizzare terminali mobili con capacità di ricezione free-to-air, ovvero la possibilità di sola ricezione dei segnali senza alcuna scheda SIM e senza obblighi contrattuali verso un operatore di rete mobile.

La prime sperimentazioni della TV via 5G

Nel giugno del 2019 a Torino in occasione dell’annuale Festa di San Giovanni, il Centro Ricerche, Innovazione Tecnologia e Sperimentazione della RAI (CRITS), in collaborazione con TIM e il Comune di Torino, ha effettuato un test di diffusione di immagini ad alta definizione verso telefoni cellulari in modalità 5G Broadcast.

Dalla stazione trasmittente di Torino Eremo, attraverso l’impiego di un innovativo trasmettitore di Rohde & Schwarz compatibile con i protocolli del profilo FeMBMS definito nella Release 14 del 3GPP, è stato diffuso un flusso di dati di circa 6 Mbit/s corrispondente alla qualità video HD utilizzando la modulazione 16QAM con FEC 0,31, che consente di operate con un bit rate utilizzato pari a 6,045 Mbit/s su una banda di 5 MHz. Il segnale RF, opportunamente amplificato a 120 W, è stato irradiato sul canale 11 VHF a 219,5 MHz.

Per ricevere e decodificare il segnale, è stato utilizzato un ricevitore sperimentale realizzato in collaborazione con l’università tedesca TUBS (Technische UniversitAt Braunschweig), che sostituisce i chip che in futuro veranno integrati all’interno dei terminali mobili abilitati a ricevere i segnali 5G Broadcast.

Un’altra importante sperimentazione è stata condotta nell’area di Monaco di Baviera nell’ambito del progetto 5G Today, coordinato dal centro di ricerca IRT (Insitut fUr Rundunktechnik), che allo scopo ha sviluppato un ricevitore basato sulla tecnologia SDR (Software Definied Radio).

Il progetto ha realizzato una catena di trasmissione completa per la distribuzione di contenuti su infrastruttura di rete broadcast, caratterizzata da celle di grandi dimensioni (raggio di 20-30 km) utilizzando la modalità di trasmissione LTE/5G feMBMS. Per le sperimentazioni sono stati utilizzati due trasmettitori Rohde & Schwarz con ERP da 100 kW installati in due siti in modalità isofrequenza (SFN) sul canale 56/57 a 750-760 MHz.

Per valutare la copertura della rete e la qualità del segnale irradiato, Rohde & Schwarz ha realizzato un innovativo sistema di misura portatile, montato all’interno di una curiosa carrozzina, all’interno della quali sono stati inserite l’analizzatore di reti radio R&S TSMW per la digitalizzazione del segnale ricevuto e lo scanner di segnali LTE con funzionalità FeMBMS di Kathrein, oltre alle antenne di misura e al sistema di alimentazione a batteria.

Ringrazio Lino Conti di Rohde & Schwarz per le preziose informazioni fornitemi in occasione del seminario “Sistemi di test reti 5G”