A fine 2019 una quarantina di operatori avevano già lanciato commercialmente le prime reti 5G NR basate sullo standard 3GPP, senza contare qualche operatore americano che si è mosso in anticipo con soluzioni pre-standard.

La motivazione principale che spinge gli operatori ad attivare le nuove reti 5G è l’esplosione della domanda di traffico video, che sta per cominciare a saturare la capacità disponibile sulle reti LTE.

Tipologie di servizi

Il 5G introduce anche nuove tipologie di servizi, la cui attivazione è tuttavia ancora lontana dell’essere pronta per il lancio commerciale.

Lo standard 5G prevede infatti tre classi di servizi, comunemente indicati come eMBB (enhanced Mobile BroadBand), mMTC (massive Machine Type Communications) e URRLC (Ultra-Reliable, Low Latency Communications).

Al momento la classe di servizi sui cui si concentrano gli operatori è l'eMBB, che di fatto è l’evoluzione naturale di quanto viene offerto sulle reti attuali di quarta generazione.

Poiché la domanda di traffico dati, in particolare video, non smette di crescere, con i servizi eMBB si punta a consentire velocità di trasmissione dati effettiva per l’utente ancora più alte ma, soprattutto, una maggiore capacità della rete, che potrà così supportare la trasmissione di flussi video a un maggior numero di utenti attivi contemporaneamente, anche quando sono concentrati in zone circoscritte, ad esempio in uno stadio o ad un concerto.

La classe di servizi mMTC è sostanzialmente la riproposizione delle modalità di connessione a bassa velocità e basso consumo già standardizzata nelle reti LTE più recenti, come NB-IoT (NarrowBand IoT) e Cat-M1, la cui diffusione commerciale ancora stenta a decollare.

La classe di servizi URRLC, invece, rappresenterà la vera innovazione tecnologica del 5G, aprendo la strada a potenziali nuove applicazioni, ad esempio nel settore automobilistico ed industriale, dove servono tempi di risposta in tempo reale con una latenza di ordini di grandezza inferiori a quelle possibili con le reti LTE di oggi.

L’obiettivo per il futuro delle reti 5G che supporteranno i servizi URRLC è di garantire tempo di latenza di 0,5 ms, equivalenti ai tempi di reazione ‘umani’, ovvero quanto richiesto dal cervello per comandare e percepire il movimento di una mano.
Ad oggi le reti LTE possono teoricamente garantire nel caso migliore tempi di latenza di 10 ms, insufficienti per affrontare questa nuova tipologia di applicazioni avanzate, a partire dalla cosiddetta ‘Internet tattile’.

Tanta banda per aumentare la capacità

Come accennato, le primi reti 5G NR già entrate in esercizio sono fondamentalmente orientate ad erogare i servizi a banda larga eMBB per aumentare la velocità e la capacità della rete.

Sebbene gli standard 5G NR prevedano nuove tipologie di modulazione e altre tecniche di codifica per aumentare l’efficienza spettrale della trasmissione, i miglioramenti rispetto a quanto possibile con le reti LTE sono piuttosto marginali, dell’ordine del 10-20% rispetto all'efficienza spettrale dei segnali LTE.

Il grande aumento della capacità delle reti 5G, quindi, sarà sostanzialmente affidato a un aumento dello spettro ad esse allocato (vedi ad esempio lo sfratto delle stazioni televisive da una porzione di spettro storicamente loro assegnata per far spazio alle nuove reti 5G).

La spettro assegnato alle nuove reti 5G è distintio in due macroclassi; FR1, sotto i 6 GHz, e FR2, onde millimetriche tra 25 GHz e 29 GHz e tra 37 GHz e 40 GHz.

Lo spettro disponibile nella gamma delle onde millimetriche è davvero enorme se confrontato a quanto storicamente disponibile per le reti cellulari e permetterà di aumentare la capacità delle reti di svariati ordini di grandezza, una volta che le soluzioni tecnologiche saranno pronte, soprattutto per quanto riguarda i dispositivi mobili come i cellulari.

Oggi le reti commerciali 5G sono realizzate usando invece le frequenze della porzione FR1 sotto i 6 GHz, e quindi apparentemente dal comportamento simile a quelle utilizzate nelle reti LTE.

Tuttavia, le differenze non mancano e introducono nuove esigenze in termini di strumentazione e tecniche di misura.

Ad esempio, le reti 5G che useranno le bande nei dintorni di 3,7 GHz avranno comunque a che fare con caratteristica di propagazione un po' diversa da quella usata dalla precedente generazione di reti.

Inoltre, molte frequenze ora assegnate alle reti 5G (come la banda dei 700 MHz) erano e in alcuni casi sono tuttora utilizzate da altri servizi, per cui vanno ‘ripulite’, assicurandosi che i precedenti utilizzatori le abbiamo effettivamente liberate, prima di poter attivare una nuova rete.

Un’altra grande differenza è l’utilizzo del ‘beamforming’, ossia dell’orientamento elettronico del fascio di irradiazione delle antenne. Il suo utilizzo era per la verità già previsto nelle reti LTE, ma non si è molto diffuso, mentre si prevede sarà molto utilizzato nelle reti 5G, sia per aumentarne la capacità nelle bande FR1, sia per superare la maggiore attenuazione intrinseca del canale nelle bande FR2.

Infine, nel nuovo standard 5G NR è stata introdotta un’ancora maggiore flessibilità nella ‘numerologia’, ossia nella combinazione di canali, caratteristiche delle portanti, schemi di modulazione e codifica per sfruttare al meglio le risorse radioelettriche disponibili.

E non va dimenticato che nelle reti 5G per la prima volta a livello globale si utilizzerà la multiplazione TDD (Time Division Duplex), dove i segnali nelle direzioni uplink e downlink viaggiano sulla stessa frequenza, rendendo più difficile la localizzazione di eventuali sorgenti interferenti sul canale.

Tutte queste novità a livello di accesso radio complicano ancora di più le tecniche di verifica e misura che sarà necessario utilizzare per garantire il corretto funzionamento delle rete e l’ottimizzazione delle sue prestazioni reali da parte degli operatori.

Modalità autonoma e non autonoma

Gli standard 3GPP prevedono diverse architetture per realizzare le reti 5G, ma di fatto oggi le uniche due prese in considerazione sono quelle denominate Option 3 per la tipologia non autonoma, o NSA (Non-StandAlone), e quella denominata Option 2 per la tipologia autonoma o SA (StandAlone).

La tipologia autonoma o non autonoma si riferisce al fatto che una rete 5G (e i relativi terminali) possa o non possa funzionare senza la presenza di una rete 4G LTE.

Tutte le reti 5G oggi in esercizio oggi funzionano in modalità non autonoma, ossia richiedono necessariamente per il loro funzionamento anche una rete con segnali LTE, utilizzata per veicolare tutte le informazioni sull’eventuale disponibilità di servizi 5G ai terminali abilitati.

Il segnale SSB

Un’importante differenza tra le reti 5G e LTE, anche per le ricadute sulle tecnica di misura, è la modalità di utilizzo del segnale di sincronizzazione SSB (Synchronization Signal Block).

Si tratta dell’unico segnale che nelle reti 5G è sempre attivo. Inoltre, il segnale SSB nelle reti 5G può essere trasmesso in posizioni diverse all’interno della banda allocata, mentre nelle reti LTE veniva trasmesso sempre al centro della banda di frequenza assegnata.

Inoltre, nelle reti 5G il segnale di sincronizzazione può anch’esso essere trasmesso utilizzando il beamforming, ad esempio quando il segnale emesso da una cella o settore viene ripartito tra molteplici fasci molto più stretti (chiamati beam), che identificano ciascuno un singolo ‘microsettore’.

La ricerca e l’identificazione del segnale SSB è il primo passo fondamentale per ogni terminale che deve accedere a una rete 5G, così come per uno strumento di misura che ne deve valutare qualità e grado di copertura.

Dal punto di vista dello strumento di misura, in prima battuta è il solo segnale su cui può fare sempre affidamento, in quanto è l’unico che è sempre attivo! Infatti, se in una rete 5G non c’è nessun utente attivo che trasmette, lo strumento di misura non può vedere nient’altro che il segnale SSB.

Misure con scanner o con smartphone?

Per valutare la copertura e l’efficienza reale di una rete radiomobile esistono fondamentalmente due classi di strumenti, gli scanner e i terminali di misura (smartphone opportunamente modificati).

Gli scanner lavorano in modalità non intrusiva, non hanno bisogno di SIM e possono ricevere tutto quanto viene irradiato, compreso le reti dei concorrenti, oltre che i segnali eventualmente provenienti dalle celle o settori adiacenti, o quelli presenti su altre bande di frequenza.

Al contrario, i terminali sono dei comuni smartphone dotati di SIM che accedono alla rete come un qualunque utente abbonato. Pertanto, possono vedere i segnali solo della cella a cui sono collegati e delle rete per cui la SIM è abilitata.

Generalmente l’accuratezza delle misure sui segnali ricevuti da una scanner è molto maggiore (intorno a 1 dB) rispetto a quella garantita da uno smartphone (intorno a 6 dB). Inoltre, gli scanner sono tipicamente molto più veloci nell’esecuzione delle misure.

Tuttavia, nel caso delle reti 5G, le due modalità di misura, complementari tra loro, sono essenziali entrambe, in quanto lo scanner è l’unico mezzo di riuscire a misurare la rete anche quando non c’è traffico e in modo non intrusivo, mentre lo smartphone è l’unico modo di misurare le prestazioni delle rete come veramente viene percepita da un’utilizzatore finale.

Ringrazio Peter Busch e Marco Neri di Rohde & Schwarz per le preziose informazioni fornitemi in occasione del seminario “Sistemi di test reti 5G”