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2024-03-05 16:13

Il 5G Spiegato Bene

ONDE ELETTROMAGNETICHE

di: 
Fulvio Margherita*

Per tutti i nostri lettori che non sono ingegneri elettronici, abbiamo chiesto ad un esperto della telefonia mobile di illustrare a grandi linee l’evoluzione della tecnologia che permette di realizzare i collegamenti in aria fra i nostri telefoni cellulari e le antenne e di spiegare perché i nostri smartphone, oggi, trasmettono potenze 10 volte minori rispetto a quelli degli anni ‘90, ma permettono velocità di comunicazione mille volte maggiori.

Foto di copertina: Unsplash, Omar Flores https://unsplash.com/it/foto/MOO6k3RaiwE 


L’architettura di una rete mobile

Una rete pubblica per le telecomunicazioni mobili (Public Land Mobile Network), come quelle di TIM, Vodafone, WindTre e Iliad  per intenderci, è costituita da quattro parti:

Figura 1: schema di una rete di telecomunicazioni mobili. Source Ericsson

- La rete di accesso è costituita da alcune decine di migliaia di antenne che coprono tutto il territorio italiano. Le antenne sono quelle che vediamo installate sui tetti dei palazzi in città, o su pali lungo le strade, e servono per trasmettere e ricevere il segnale verso il nostro smartphone usando le onde elettromagnetiche. La rete di accesso include anche il collegamento, in fibra ottica o in ponte radio, tra ogni antenna e un punto di raccolta (POP = Point Of Presence) in cui sono installati gli apparati della rete di trasporto.

- La rete di trasporto è costituita da apparati (router) che smistano i segnali dalla rete di accesso alla rete centrale e viceversa e da collegamenti in fibra ottica e ad alta capacità tra i POP e gli apparati della rete centrale. I router sono installati in alcune centinaia di POP su tutto il territorio nazionale.

- La rete centrale è costituita da server, installati all’interno di alcune decine di datacenter a livello nazionale, che permettono l’accesso ad internet tramite l’assegnazione di un indirizzo IP ad ogni smartphone, realizzano la commutazione del servizio voce tra due telefoni mobili, tengono traccia della posizione del cliente per poterlo raggiungere quando devono inviargli un messaggio o una chiamata vocale, etc.

- Il device è lo smartphone o il tablet con cui probabilmente state leggendo questo articolo, ma anche il vecchio telefono solo voce, etc.  Il device richiede i servizi di comunicazione alla rete centrale, usando la rete di accesso e trasporto per instaurare il canale di collegamento.

 

Cos’è il 5G e da dove viene.

Con la sigla 5G ci si riferisce solo allo standard e alla relativa tecnologia usata, all’interno della rete di accesso, per realizzare il collegamento in aria (wireless) tra l’antenna e il device, sfruttando le onde elettromagnetiche.

Per la precisione, lo standard 5G prevede anche un’evoluzione dell’architettura e dei protocolli usati dalla rete centrale, ma questo aspetto coinvolge solo la modalità con cui i server della rete centrale, all’interno dei datacenter, elaborano le informazioni e realizzano i servizi. Non ne parlerò in questo articolo.

La sigla 5G indica che si tratta della 5° generazione nell’ambito di una evoluzione continua che va dal TACS italiano (1G) della fine degli anni ‘80, il GSM europeo (2G) degli anni ‘90, il UMTS mondiale (3G) dal 2000, il LTE (4G) dal 2010, il NR (5G) dal 2020.

Figura 2: evoluzione dello standard nel tempo. Source Ericsson

Abbiamo scoperto che il 5G ha anche un nome proprio, NR, che si traduce come Nuova Radio. Pensate che il nome del 4G, LTE, si traduce come Evoluzione di Lungo Termine e sarete d’accordo con me che gli enti di standardizzazione hanno difficoltà a scegliere un nome accattivante per le tecnologie che progettano.

 

Lo standard

Un ente di standardizzazione è semplicemente un gruppo di scienziati ed ingegneri, che provengono dagli operatori telefonici del mondo, dai fornitori di apparati (inclusi i più importanti in Europa come Ericsson e Nokia) e dai fornitori di device (Apple, Samsung, Huawei, Xiaomi, etc), e che si riuniscono periodicamente per mettersi d’accordo su come far comunicare i diversi componenti della rete di telecomunicazione (device, rete di accesso, trasporto e centrale).

Il risultato del loro lavoro è una grande quantità di documenti  tecnici, comprensibili per lo più solo agli addetti ai lavori, che sono disponibili liberamente sul sito del 3GPP, l’ente responsabile della standardizzazione del  5G.

Ma quali sono le caratteristiche per cui la rete di accesso 5G si differenzia dalle generazioni precedenti?

 

Larghezza di banda

In primo luogo, il 5G prevede un incremento della larghezza di banda usata dal canale di collegamento. Si tratta di una lenta evoluzione che ha portato dai 0.2 MHz del 2G, ai 5 MHz del 3G, ai 20 MHz del 4G ai 100 MHz del  5G. L’obiettivo di questa evoluzione è quello di avere un canale con sempre maggiore velocità di trasmissione perché, se il 2G doveva trasmettere solo la voce che necessita di 0.01 Mbps, il 5G deve poter trasmettere un video in 4k che necessita di circa 10 Mbps.

La trasmissione di segnali a larga banda, in particolare da parte dei device, richiede apparati più costosi e meno efficienti, lo standard ha quindi dovuto adattarsi nel tempo a quello che l’evoluzione tecnologica permetteva di realizzare a costi compatibili con un uso privato e di massa, questo è il motivo del lento incremento della larghezza di banda nello standard, che ha impiegato più di 30 anni per arrivare allo stato attuale.

 

Potenza trasmessa dal device

Se la banda è aumentata, la potenza massima trasmessa dai device è andata lentamente riducendosi da circa 2 Watt dei device 2G ai circa 0.2 Watt dei device 4G e 5G. Insomma, nelle condizioni di massimo, i nostri smartphone, oggi,  trasmettono potenze 10 volte minori rispetto a quelli degli anni ‘90, ma permettono velocità di comunicazione mille volte maggiori.

Un altro aspetto molto importante è che, nei vari passaggi dal 2G al 5G, lo standard di funzionamento dei device è stato migliorato in modo che sia molto attento a trasmettere solo il minimo indispensabile, per allungare la durata della batteria e ridurre l’interferenza sui collegamenti degli altri device.  A questo scopo il device trasmette valori molto più bassi, anche mille volte inferiori al massimo, quanto più l’antenna della rete di accesso si trova vicina e senza ostacoli.

Sulla relazione tra salute e onde elettromagnetiche si sono già espressi, con la massima autorevolezza, il ICNIRP a livello mondiale e l’ISS (Istituto Superiore di Sanità) in Italia. Io non sono un biologo ma un ingegnere delle telecomunicazioni, peraltro con esperienza trentennale, e mi limiterò a parlare di intensità del campo elettrico che interagisce con il corpo umano. Nonostante il device trasmetta a potenza minore rispetto all’antenna sul tetto, l’assorbimento di onde elettromagnetiche da parte del corpo umano è principalmente dovuta al device che è usato a pochi centimetri di distanza dal corpo, mentre il segnale proveniente dalle antenne sui tetti dei palazzi intorno è fortemente attenuato già a pochi metri di distanza.

Figura 3: la potenza trasmessa dal telefono aumenta con la distanza dall'antenna. Source Ericsson

Se quindi preferite che, mentre lo usate, il vostro device trasmetta al minimo livello di potenza, è meglio essere sempre il più vicino possibile ad un’antenna della rete di accesso del vostro operatore, meglio se si trova sul terrazzo sopra o accanto all’edificio in cui vi trovate. Ho evidenziato questo aspetto, che riguarda tutte le tecnologie e non solo il 5G, perché alcuni comuni obbligano gli operatori ad installare le antenne fuori dall’area urbana, o lontano da scuole e ospedali, con la conseguenza che i cittadini di quel comune hanno un servizio di bassa qualità e i loro device trasmettono sempre alla massima potenza.

 

Frequenze

Il 5G può utilizzare le stesse gamme di frequenze delle tecnologie precedenti oltre ad alcune nuove.

Il 2G usa le frequenze del  900 MHz e 1800 MHz, il 3G usa 900 MHz e 2100 MHz, il 4G riusa le frequenze 2G e 3G aggiungendo il 2600 MHz. Il 5G riusa le frequenze del 4G aggiungendo il 700 MHz, 3600 MHz e il 26 GHz.

Tutti gli operatori mobili italiani, ma succede lo stesso nel resto del mondo, utilizzano principalmente le nuove frequenze del 700 MHz e 3600 MHz, perché quelle del 4G sono già impegnate per fornire il servizio alla clientela 4G che oggi costituisce ancora la maggioranza, mentre il 26 GHz non è adatto a fornire copertura in indoor oppure outdoor a livello strada perché richiede sempre la perfetta visibilità ottica tra antenna e device. Ad oggi, il 5G su 26 GHz è usato in quantità limitate per dare il servizio FWA (Fixed Wireless Access) tramite piccole antenne installate a casa cliente all’esterno di balconi e tetti.

Mano a mano che i clienti acquisteranno device 5G e sottoscriveranno nuovi contratti che includono il 5G, gli operatori spegneranno il 4G e riutilizzeranno le stesse frequenze per il 5G (refarming). Lo stesso fenomeno è avvenuto negli anni scorsi quando molti operatori mobili hanno deciso di spegnere tutto o parte del 3G e riusare le frequenze per il 4G.

 

Antenne intelligenti

Le troverete nominate anche come antenne attive o antenne massive MIMO, che possiamo considerare come sinonimi nell’ambito di questa descrizione.

Si tratta della caratteristica più innovativa della rete di accesso 5G, anche se la ricerca e sviluppo su questo tipo di apparati ha ormai 30 anni e forse più. Lo stesso standard 3G, definito prima del 2000, aveva alcune caratteristiche pensate per facilitare l’uso delle antenne intelligenti.

Le antenne normali non sono alimentate dalla corrente e per questo non sono in grado di fare nessuna elaborazione del segnale, per inciso è il motivo per cui sono chiamate anche antenne passive. L’elaborazione del segnale è fatta dagli apparati elettronici installati un po’ più in basso, in analogia con quello che succede con la vostra antenna TV, che infatti non ha bisogno di un cavo per la corrente, ma è collegata al decoder o alla TV digitale che si occupa di fare l’elaborazione del segnale.

Un’antenna passiva riceve e trasmette il segnale in tutte le direzioni. Le antenne attive invece sono dotate di circuiti integrati che elaborano il segnale, con algoritmi molto complessi, e permettono di puntare la ricezione e trasmissione del segnale solo nella direzione in cui si trova il device da servire. È come seguire il volo di un falco in lontananza guardando con un binocolo invece che ad occhio nudo.

Figura 4: l'antenna intelligente trasmette in maniera focalizzata solo per il cliente da servire. Source Ericsson

Il problema che ne ha impedito l’utilizzo prima del 5G è che solo recentemente la tecnologia ha messo a disposizione circuiti integrati sufficientemente piccoli ed efficienti per realizzare l’elaborazione richiesta in apparati con volumi e consumi adatti alle classiche installazioni sui tetti.

Per avere un’idea della quantità di calcoli necessari, pensate che ogni antenna serve contemporaneamente molti clienti, puntando il segnale per 10 millisecondi nella direzione di un cliente e poi ripuntando verso un altro cliente per i successivi 10 millisecondi. L’antenna deve quindi ripuntare il segnale anche 100 volte al secondo, inseguendo ogni volta la nuova posizione dei clienti in movimento. È come se 5 falchi volassero in punti diversi dell’orizzonte e voi passaste rapidamente con il binocolo dall’uno all’altro, ritornando sullo stesso falco per 20 volte al secondo. Attenti al mal di testa!

Grazie alla capacità di focalizzare la ricezione solo nella direzione in cui si torva il device, le antenne intelligenti permettono al device di trasmettere ad una potenza ulteriormente ridotta, anche di 10 volte, sia perché l’antenna lo riceve meglio, sia perché è meno disturbata dai segnali trasmessi da device situati in altre diverse direzioni.

Lo stesso avviene per le onde elettromagnetiche che viaggiano nella direzione opposta, dall’antenna al device, l’antenna intelligente è capace di trasmettere potenza solo nella direzione del device e, nel contempo, genera meno interferenza verso device in altre direzioni. L’effetto sarà una notevole riduzione media della potenza trasmessa.

 

Small cell

Le small cell sono spesso messe in relazione con il 5G, ma è un errore.

Figura 5: sito macro su un terrazzo in area urbana. Source Ericsson


Figura 6:  esempi di small cell a palo o a parete. Source Ericsson

Una small cell è semplicemente un’antenna installata più in basso, tipicamente tra i 4 e i 6 metri, rispetto alle antenne installate sui tetti, tipicamente tra i 20 e i 30 metri, a cui ci si riferisce come siti macro. La si può realizzare con qualunque tecnologia dal 2G al 5G, ed ha il limite che non permette l’uso di antenne intelligenti.

Si tratta quindi solo di un tipo di installazione e non di una tecnologia, peraltro con note criticità in termini di rapporto costo e benefici. Un’ultima sperimentazione fatta a Milano ha mostrato che ci vogliono dalle 50 alle 100 small cell per dare una copertura analoga a quella di un sito tradizionale con costi di permessi, apparati, installazione, manutenzione ed energia molto più elevati a parità di copertura.

Insomma, è una soluzione molto meno sostenibile dei siti macro, sotto quasi tutti i punti di vista. Sicuramente molto meno innovativa.

Non è un caso che questa tipologia di installazione, disponibile da più di 20 anni, non è mai stata usata in maniera importante dagli operatori europei.

 

*Fulvio Margherita è responsabile di ingegneria della rete di accesso e terminali in WindTre