5G, cos'è, come funziona e quando i terminali saranno compatibili

Con l’acronimo 5G si fa comunemente riferimento alle tecnologie e agli standard di quinta generazione per la telefonia mobile.
L’ITU (International Telecommunication Union), organizzazione internazionale che si occupa di definire gli standard nelle telecomunicazioni e nell’uso delle onde radio, ha già stabilito che cosa si intende per 5G così da non ricreare quella confusione che si ingenerò all’epoca del lancio delle soluzioni di connettività 4G/LTE.

La banda di picco che una singola cella LTE può oggi trasferire è pari a 1 Gbps; con il 5G la capacità della rete verrà notevolmente ampliata dal momento che ogni cella dovrà sostenere almeno 20 Gbps in downstream e almeno 10 Gbps in upstream.

Il 5G dovrà inoltre permettere la connessione di un milione di dispositivi per chilometro quadrato; gli operatori di telecomunicazioni dovranno disporre di almeno 100 MHz in frequenza, con la possibilità di scalare fino a 1 GHz. La latenza, in condizioni ideali, non dovrà superare i 4 ms ma l’ITU ha introdotto anche le connessioni URLLC (ultra-reliable low latency communications) la cui latenza non dovrà superare 1 ms. Oggi, quando va bene, con le attuali reti 4G la latenza è tipicamente pari a 70-100 ms.

A parte le performance “di picco”, secondo l’ITU le reti 5G dovranno consentire il trasferimento dei dati ad almeno 100 Mbps in downstream e 50 Mbps in upstream per ciascun utente connesso. Infine, la connettività 5G dovrà rimanere fruibile fino a velocità di 500 km/h e i dispositivi dovranno rapidamente porsi in uno stato di basso consumo energetico quando non più in uso.

Perché c’è tanto interesse sul 5G

Come mai accaduto prima d’oggi, l’intera industria si è mossa con largo anticipo per supportare una nuova tecnologia qual è il 5G.
Basti pensare che solo in Italia TIM, Fastweb e Huawei stanno sperimentando la rete 5G a Bari e Matera, per la copertura di Prato e L’Aquila si stanno attivamente occupando Open Fiber e Wind Tre mentre Milano è stata la scelta di Nokia e Vodafone.
TIM ha recentemente presentato, tra l’altro, la prima rete al mondo vRAN LTE Advanced, fondamentale per lo sviluppo del network 5G: TIM ed Ericsson portano al debutto a Torino la prima rete vRAN LTE Advanced al mondo.

A metà giugno 2018 è arrivata la conferma dell’accordo sulle specifiche 5G condivise a livello mondiale: L’implementazione delle reti 5G può cominciare: c’è accordo sulle specifiche.

A ottobre 2018 l’asta indetta dal Ministero dello Sviluppo Economico (MISE) per l’assegnazione delle licenze 5G si è conclusa con un enorme successo per le casse dello Stato, con i vari operatori che hanno fatto a gara per accaparrarsi i diritti di utilizzo delle varie bande di frequenza: Frequenze 5G: l’asta si conclude con un grande successo per le casse statali.
Fastweb è riuscita ad evitare di sborsare milioni grazie a un importante accordo con Tiscali per l’utilizzo della banda dei 3,5 GHz a suo tempo concessa all’operatore sardo: L’accordo tra Fastweb e Tiscali per l’utilizzo delle frequenze sui 3,5 GHz è inviso a molti: ecco perché.
Inoltre è stata siglata una fondamentale intesa anche con Cellnex: Fastweb si accorda con Cellnex: userà le sue torri per fornire servizi 5G.

In figura, i requisiti di servizio per sistemi 5G. Fonte: Huawei (2016).

La girandola di notizie che si sono rincorse in rapida successione nel corso delle ultime settimane ha indotto alcuni nostri lettori a chiederci se gli attuali dispositivi in vendita siano già compatibili 5G.

Perché così tanta fretta e quali sono le principali ragioni di un impegno talmente puntuale?

L’obiettivo dell’intero ecosistema è, evidentemente, quello di realizzare una piattaforma multiservizio che permetta la diffusione di strumenti innovativi (si pensi al Distributed Cloud e all’Internet delle Cose (IoT) oltre ai primi “casi di utilizzo” presentati dagli operatori che in questi mesi stanno svolgendo “test sul campo”: 5G: TIM, Fastweb e Huawei dimostrano i primi casi concreti di utilizzo della rete a Bari e Matera).

Gli analisti prevedono che entro il 2020 saranno connessi alla rete Internet circa 50 miliardi di oggetti smart: essi saranno sempre più utilizzati a casa, in ufficio, in azienda, per le strade, sulle auto, negli ospedali, nelle pubbliche amministrazioni, in impianti industriali e in moltissimi altri luoghi. Si tratta di oggetti intelligenti spesso dotati di sensori, utilizzati per operazioni di monitoraggio e controllo a distanza, capaci di inviare segnali d’allarme e di dialogare tra loro (magari prendendo decisioni in autonomia grazie alle soluzioni di intelligenza artificiale).

Il 5G permetterà di contare su una maggiore scalabilità e flessibilità dei servizi anche grazie agli enormi passi in avanti che sono stati sin qui compiuti in termini di virtualizzazione della rete (utilissima anche nell’ottica della riduzione dei costi).

Con il 5G viene introdotto anche il concetto di network slices ovvero la suddivisione “a fette” della rete e la successiva assegnazione a servizi e funzioni ben specifici: essa permetterà, per esempio, la convergenza tra utenti fissi e mobili con un collegamento 5G realizzato via radio.

Esistono già smartphone compatibili 5G? Quali frequenze saranno utilizzate?

Diversi produttori si stanno da tempo muovendo per progettare e realizzare dispositivi pienamente compatibili 5G.
Lenovo-Motorola all’inizio di agosto 2018 ha svelato il suo primo smartphone con supporto 5G, il Moto Z3 che integra il modem Qualcomm Snapdragon X50 e che permette di connettersi a reti 5G collegando un apposito “moto mod” (questo componente aggiuntivo sarà però venduto solo negli Stati Uniti ad inizio 2019).

Descritto a metà ottobre 2017 da Qualcomm, lo Snapdragon X50 è il primo modem 5G (Qualcomm presenta il nuovo SoC Snapdragon 636 più potente del 40% rispetto al 630 e il modem X50) che sarà via a via integrato nei propri dispositivi dai vari produttori di smartphone (vedere anche Qualcomm, primo modem 5G a 5 Gbps. Accordo con Netgear).

Inizialmente il modem X50 sarà in grado di comunicare solamente entro la banda dei 28 GHz avvalendosi di una serie di piccole antenne, tecnologie di beamforming adattativo e beam tracking che consentiranno di ottimizzare il segnale, direzionarlo in modo migliore e facilitare il superamento degli ostacoli facendolo “rimbalzare”.
Ricordiamo che in Italia, per il 5G, saranno assegnate le frequenze su tre bande distinte: 694-790 MHz, 3600-3800 MHz e 26,5-27,5 GHz.

In molti si chiedono a che cosa serviranno le frequenze più elevate, quelle sui 26,5-27,5 GHz, dal momento che, com’è noto, sono le frequenze più basse a permettere un più agile superamento degli ostacoli ma le più alte garantiscono velocità di trasferimento dati maggiori. Esse saranno sfruttate per offrire la connettività 5G a prestazioni elevate con antenne di piccole dimensioni (cosiddette small cell), a livello locale e all’interno degli edifici.
Questa porzione di spettro in asta (1.000 MHz, complessivamente) sarà cruciale per il 5G anche in ottica front/backhaul: creando connessioni punto-punto in condizioni di perfetta visibilità tra le antenne si potranno ottenere velocità anche molto superiori a diversi Gigabit per secondo. Una soluzione quindi piuttosto conveniente dal punto di vista dei costi e delle prestazioni (su distanze fino a 5-10 chilometri) rispetto all’uso della fibra ottica.
WLAN e radiomobile convergeranno sempre più grazie anche all’utilizzo delle onde millimetriche e ricorrendo a celle di piccola dimensione (con una copertura di 50-100 metri) potranno consentire il trasferimento dati fino a 10 Gbps e, sulla carta, in futuro, fino a 1 Tbps.

Per onde millimetriche (mmWave) si considerano le frequenze comprese tra 30 e 300 GHz e si chiamano così perché la loro lunghezza d’onda varia tra 1 e 10 millimetri. Le attuali comunicazioni radiomobili usano onde la cui lunghezza è dell’ordine delle decine di centimetri e bande inferiori ai 6 GHz.

Lato dispositivi mobili, Qualcomm ha presentato di recente le antenne che verranno utilizzate per ottimizzare la ricezione del segnale 5G, anche su onde millimetriche: Qualcomm presenta la prima antenna a onde millimetriche per smartphone.

Per ottimizzare il segnale 5G verranno utilizzate tecnologie come MIMO (multiple-input multiple-output) per ottimizzare la possibilità di invio e ricezione simultanea dei dati verso un maggior numero di dispositivi connessi. Adoperando Massive MIMO, su ogni singola antenna 5G saranno installate decine di antenne simultaneamente operative.
Inoltre, si farà ampio utilizzo del beamforming ossia della tecnologia – ampiamente nota in campo WiFi come MIMO – per direzionare il segnale verso la posizione fisica dei dispositivi client.

Il CES 2019 ha di fatto dato il via alla commercializzazione dei primi smartphone 5G già nel corso dei prossimi mesi nonostante il completo dispiegamento delle nuove reti sia atteso entro il 2022.

Oltre a Lenovo-Motorola, le aziende che hanno messo qualche data nero su bianco sono Huawei, Samsung e OnePlus.
D’altra parte Huawei è impegnata, come noto, nel fornire il suo know how e i dispositivi per l’aggiornamento della rete ma è ovviamente impegnata nel supportare la tecnologia 5G con i suoi modem.
Huawei P30 o Mate 30 potrebbero essere i primi smartphone a supportare la connettività 5G anche se non sono attesi prima di metà 2019 mentre è certo che i primi modelli di Samsung Galaxy S10, il cui rilascio è previsto per marzo 2019, non integreranno il nuovo modem 5G.

Nell’articolo Smartphone 5G: quali saranno i primi sul mercato ci siamo concentrati proprio sui dispositivi mobili compatibili 5G che potrebbero debuttare nel corso dei prossimi mesi.
A questo proposito, secondo Ericsson, entro aprile 2019 ci saranno sul mercato almeno 6 smartphone equipaggiati con modem 5G. Si tratterà però di terminali non in grado di scambiare dati sulla banda mmWave ma solo su frequenze mid-band. Ericsson stima che i primi dispositivi compatibili mmWave possano essere commercializzati tra giugno e luglio 2019.

Maggiori informazioni possono essere reperite ne “Il sistema 5G: una piattaforma progettata per i servizi digitali“, a cura di Maurizio Dècina, presidente di Infratel Italia e Professore Emerito presso il Politecnico di Milano.