La maggior parte dei sistemi 5G lanciati finora a livello globale si è prevalentemente basata, come in Italia, sulla banda 3,4-3,8 GHz, con pochissime eccezioni. Ciò perché i servizi iniziali, tipicamente limitati alle comunicazioni a larga banda, richiedevano velocità di trasmissione che possono essere adeguatamente supportate da queste frequenze. Ma lo sviluppo dei sistemi richiederà rapidamente nuove bande per soddisfare la crescita del traffico dati.
5G, armonizzare lo spettro per far convivere servizi diversi: ecco come
La crisi di approvvigionamento di semiconduttori, il cosiddetto chip shortage, che sta rallentando i piani strategici di alcuni importanti settori verticali – primo fra tutti l’automotive – non ha invece rallentato il processo di refarming delle bande televisive destinate ad uso da parte delle tecnologie 5G. Con la conclusione in tutta Italia delle operazioni previste dalla roadmap predisposta dal Ministero dello Sviluppo Economico si è completata la liberazione della banda 700 MHZ, rendendo disponibili per il 5G le tre coppie di bande (2×10 MHz) già assegnate nel 2018 nel corso dell’asta per le frequenze 5G. È forse utile ricordare che quell’asta aggiudicò tre bande di frequenze (la banda dei 700 MHz, di cui si è detto, la banda 3.6-3,8 GHz e 1 GHz nella banda dei 26,5-27,5 GHz).
Perché la banda 700 Mhz è importante per il 5G, ma non basta
La banda dei 700 MHz, ora liberata, era attesa da tempo dagli operatori. Le caratteristiche della propagazione elettromagnetica, come noto, rendono le frequenze più basse (la banda dei 700 MHz) idonee per le ampie coperture, mentre man mano che si sale in frequenza si rendono certamente disponibili bande più ampie, ma la propagazione si fa più sensibile alla distanza e alla presenza di ostacoli.
Ma servono ancora ulteriori frequenze nelle bande basse? La WRC-23, la World Radio Conference che si terrà a fine 2023 negli Emirati Arabi dovrà formalmente affrontare l’Agenda Item 1.5 che riguarda proprio la valutazione di nuovo spettro per sistemi cellulari al di sotto di 1 GHz, nella banda 460-694 MHz che è la banda residua per il broadcasting TV.
Nuove bande o un sistema più efficiente? Le posizioni
Secondo la GSMA, l’associazione degli operatori cellulari, queste frequenze potrebbero essere utili per fornire maggiore capacità e prestazioni nelle aree rurali e in ambienti indoor dove, come noto, le frequenze più elevate non possono fornire copertura in modo efficiente.
La European Broadcasting Union, invece, sostiene convintamente una posizione opposta, quella del No Change, sostenendo anche che in vista della dismissione dei sistemi 2G e 3G sarebbe giunto il momento per ripartire a livello globale lo spettro sotto ad 1 GHz in maniera più efficiente, rendendo disponibili ai servizi mobili porzioni di bande contigue più ampie di quanto il succedersi delle precedenti generazioni tecnologiche abbia reso finora possibile. Proponendo, quindi, di non intervenire con nuove bande, ma di lavorare sull’efficienza del sistema.
Recentemente in Gran Bretagna il Governo ha prorogato le licenze della Televisione Digitale Terrestre (DTT) fino al 2034, considerando che i recenti sviluppi tecnologici stanno rendendo disponibili bande più ampie a frequenze superiori, sia nelle cosiddette mid-bands che nelle bande delle frequenze a lunghezze d’onda millimetriche.
La posizione dell’Italia sulle bande millimetriche
In Italia, pur non essendoci ancora una decisione formale sull’Agenda Item 1.5, l’interesse sulle bande millimetriche è altissimo e più di una consultazione pubblica fra quelle condotte da Agcom (fra cui anche una consultazione ancora in corso) ha previsto domande sull’utilizzo delle bande millimetriche.
Senza addentrarsi, per ovvi motivi di spazio, nelle specificità delle consultazioni Agcom occorre porsi alcune domande. Ma da dove nasce questo interesse per le frequenze superiori? E le tecnologie sono pronte per una produzione di massa?
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Il concetto di efficienza spettrale
La prima risposta richiede un breve approfondimento tecnico che consiste nell’introdurre il concetto di efficienza spettrale. L’efficienza spettrale esprime la quantità di dati che può essere trasmessa in una certa banda e si esprime in bit/s/Hz. La capacità complessiva sarà dunque ricavabile dal prodotto tra l’efficienza spettrale e la larghezza di banda disponibile.
L’evoluzione tecnologica dell’efficienza spettrale è riconducibile allo sviluppo nelle tecniche di trasmissione al progredire delle generazioni (crescendo significativamente al passaggio dal 2G al 5G), ma soprattutto ai nuovi sistemi di antenne adattative.
I guadagni di efficienza spettrale conseguibili attraverso l’aggiornamento delle antenne varia in base alla banda di frequenza. Oggi le tecniche di adattatività delle antenne (massive MIMO e beamforming) sono per lo più sfruttate nelle mid-bands (tra circa 2 GHz e 6 GHz).
A frequenze più basse (al di sotto di circa 2 GHz) la dimensione fisica della lunghezza d’onda limita il numero di elementi che possono essere utilmente accomodati nell’antenna di una stazione base: il multiplexing spaziale può ancora essere sfruttato, ma con guadagni più contenuti.
Alle frequenze millimetriche invece le antenne possono ospitare un numero molto elevato di elementi rispetto alla banda bassa o media, rendendo possibili efficienze spettrali ancora maggiori.
Per sintetizzare questo concetto di fondamentale importanza per la comprensione dei futuri sviluppi del settore può essere utile una tabella messa a punto da Ofcom[1], sulla base di une revisione della letteratura tecnica e di colloqui con costruttori di sistemi radio e sistemi d’antenna.
La tabella fornisce una panoramica sulle efficienze spettrali medie che potrebbero essere ottenibili in diverse gamme di spettro e su diversi tipi di stazioni base nel periodo fino al 2035. I valori previsti dipendono principalmente dalla configurazione e dal numero di elementi d’antenna utilizzabili con la tecnologia MIMO che potrebbero essere disponibili nei dispositivi commerciali presenti nelle stazioni base e negli apparati d’utente.
Per comprendere appieno la tabella occorre ricordare che le efficienze spettrali effettivamente consegnate al traffico dipendono anche dalle statistiche del rapporto tra segnale utile e rumore e quindi dalle dimensioni delle celle, risultando più basse per macro siti che coprono grandi aree scarsamente popolate e più alte in aree urbane o per coperture localizzate.
Considerando che alle frequenze più alte sono disponibili larghezze di banda significativamente maggiori appare chiaro che il ricorso alle onde millimetriche appare decisivo in tutti quei contesti che richiedono velocità di trasmissione molto elevate, come accade tipicamente per casi d’uso avanzati come quelli che caratterizzano le applicazioni per i vertical, ad esempio in ambito industriale, sanitario o nel settore automotive.
Inoltre, l’interesse verso le bande millimetriche non ha un’origine legata solo alle maggiori velocità di trasmissione ma si collega anche ad una maggiore flessibilità operativa che prende spunto dal fatto che la propagazione a queste frequenze è estremamente circoscritta e può pertanto consentire soluzioni ibride che affiancano i servizi di comunicazione pubblici ad applicazioni per i vertical con coperture localizzate, in special modo nel caso di fondi privati, con un ottimo controllo delle interferenze reciproche.
Modalità di licensing per le onde millimetriche
Le modalità di propagazione delle onde millimetriche escludono di fatto la possibilità di una copertura ad estensione nazionale come per altre bande, mentre rendono molto conveniente la realizzazione di coperture miste (mid-band e millimetriche) in aree urbane a traffico elevato.
Questa inidoneità a coperture nazionali spinge ad individuare modalità di licensing ibride. Anche Ofcom sta pensando di suddividere la banda 24,25- 26,5 prevedendo un utilizzo pubblico nelle aree urbane ad alta densità di traffico e prevedendo invece applicazioni locali su una base di accesso condiviso.
Anche in Italia, riguardo alle bande di frequenza utilizzabili dai vertical, all’esito di una consultazione dedicata a questo, l’Agcom ha riscontrato un elevato interesse per la 26 GHz, ritenuta da alcuni stakeholder essenziale per il pieno sviluppo dei nuovi modelli di business abilitati dal 5G, anche attraverso l’implementazione di servizi su base locale.
Va peraltro detto che tale banda è l’unica con prospettive di assegnazione mediante licenza individuale nel breve periodo. Le altre bande potenzialmente disponibili sono oggetto di approfondimenti e studi tecnici, quindi con tempistiche di disponibilità e schemi di licensing ancora da definire (es. 3.8-4.2 GHz, 6 GHz alta, 40.5-43.5 GHz).
Il modello “club use” adottato in Italia
Agcom ritiene opportuno riproporre anche nella banda dei 26 GHz bassa le misure di accesso alle reti introdotte con la delibera n. 231/18/CONS (club use). Il modello “club use”, adottato in Italia prima che altrove, consente di condividere le frequenze degli altri aggiudicatari ove queste non siano utilizzate dagli altri, e pertanto di offrire capacità elevatissime, comparabili a quelle dell’accesso in fibra ottica seppure limitate localmente.
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Conclusioni
Ma le tecnologie alle onde millimetriche sono pronte? La storia delle comunicazioni mobili ci ha insegnato che la risposta a questa domanda dipende dalla reale richiesta di sistemi ad alta capacità e dal ritmo di crescita del traffico dati, che sostiene gli investimenti tecnologici nello sviluppo dei circuiti integrati. Tuttavia, gli effetti della crisi dei semiconduttori sconsigliano dal fare previsioni in questo senso, almeno per i prossimi mesi.
Ad ogni modo, ciò che può essere sostenuto con certezza è che alcune caratteristiche intrinseche delle onde millimetriche quali la possibilità di compattare numeri più elevati di elementi di antenna per unità di superficie o come la possibilità di controllare maggiormente le interferenze (e di garantire, così, un riuso intensivo delle frequenze) inducono a dedicare loro un estremo interesse industriale e a ritenere che si affermeranno dapprima nelle bande dei 26 GHz, e successivamente anche nelle bande più elevate, già oggetto di approfondimento in ottica 6G.
Il dibattito negli Stati Uniti sulle bande più elevate è molto vivace e ha dato vita al programma Spectrum Horizons promosso dalla FCC (Federal Commission on Communications) che riguarda la lo spettro tra i 95 e i 300 GHz con una forte focalizzazione industriale e che ha già concesso importanti porzioni di spettro per applicazioni sperimentali.
Note
- Ofcom, “Mobile networks and spectrum, Meeting future demand for mobile data”, February 2022 ↑
