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5G: le tecnologie del passato e uno sguardo al futuro

A cura di Antonino Pagano.
In un mondo sempre più connesso la tecnologia 5G è diventata ormai una necessità per gli esperti nel settore. La tecnologia di quinta generazione può essere vista come un’evoluzione delle tecnologie precedenti, difatti tutte le tecnologie usano dei sistemi wireless per connettere i dispositivi mobili.

Per comprendere appieno le potenzialità del nuovo standard, facciamo un breve confronto tra le tecnologie che l’hanno preceduta.

  • La tecnologia di prima generazione (1G), ormai obsoleta, permetteva di inviare messaggi e di effettuare chiamate. La trasmissione avveniva in formato analogico, per questo motivo i dispositivi portatili erano molto voluminosi.
  • La tecnologia 2G è stata la prima ad utilizzare le trasmissioni digitali. Questa presenta 3 evoluzioni:
    1. La GSM (Global System for Mobile Communications), che possiede una velocità massima pari a 14,4 kbps.
    2. La GPRS (General Packet Radio Service) ha una velocità massima di 70 kbps ed è stata la prima ad avere un Servizio di Messaggistica Multimediale (MMS).
    3. La EDGE possiede una velocità massima di 170 kbps ed è stata la prima tecnologia a consentire la navigazione in Internet.
  • La tecnologia 3G è stata la prima a consentire l’invio di video, di effettuare videochiamate e guardare film in streaming sui dispositivi mobili. Questa possiede una velocità massima di 7 Mbps, una sua evoluzione chiamata 3GH+ o pre-LTE è in grado di raggiungere una velocità di 42,2Mbps.
  • La tecnologia 4G ha una velocità di trasmissione di 40 Mbps. Una sua evoluzione, la Long Term Evolution (LTE), ha una velocità di picco di 100 Mbps. I ricercatori stanno lavorando sulla terza evoluzione LTE-Advanced e sperano di arrivare a 500 Mbps.

In tutte queste tecnologie, compresa la nuova 5G, la trasmissione dei dati avviene tramite l’uso delle radio frequenza, cioè le informazioni viaggiano su onde elettromagnetiche chiamate onde radio, appartenenti allo spettro elettromagnetico nella banda tra zero e 300 GHz.

Spettro. Credits: http://www.emfexplained.info/?ID=25916

In passato esistevano dei limiti per l’uso delle frequenze dedicate alle trasmissioni ma, grazie all’avanzamento tecnologico, oggi si possono usare delle frequenze più elevate. La tecnologia 5G usa proprio questo tipo di frequenze, qui le onde sono molto vicine tra di loro, difatti vengono chiamate onde millimetriche (mmWave).

Per il nuovo standard 5G nella nostra nazione sono state assegnate 3 Bande:

  1. La banda 700, che lavora nel range (690 – 790) MHz, viene chiamata “Banda nobile” e rappresenta un buon compromesso tra la velocità di trasmissione dei dati e la capacità di penetrazione del segnale negli edifici.
  2. La banda intermedia (3,6 – 3,8) GHz sarà usata per la copertura macrocellulare. Questa banda ha una capacità di copertura molto estesa e può coinvolgere sia zone con una bassa densità di popolazione che zone molto abitate.
  3. La Banda dei mmWave adopera le frequenze nell’intervallo (26,5 – 27,5) GHz. Questa banda sarà usata a livello locale all’interno degli edifici con antenne di piccole dimensioni diffuse negli ambienti.

L’uso di queste frequenze introduce una serie di vantaggi, ad esempio potremo trasmettere simultaneamente una quantità maggiore di dati; ottenendo così un aumento della velocità di trasmissione.

La tecnologia 5G possiede una velocità minima di 1Gbps e una velocità massima teorica di 20 Gbps. Quest’ultimo è un valore ideale che si potrebbe raggiungere nel caso di un solo dispositivo collegato alla cella e l’assenza di ostacoli nel percorso di trasmissione, due condizioni che difficilmente si verificheranno nella realtà.

La nuova rete 5G consente il collegamento di un numero molto elevato di dispositivi senza causare fenomeni di intasamento della rete. Il fenomeno della saturazione di banda è invece presente in tutte le tecnologie attuali e ad esempio si verifica quando avvengono catastrofi naturali. Nella tecnologia 5G non saranno presenti questi fenomeni poiché le onde sono direzionabili. Un singolo dispositivo sarà in grado di comunicare direttamente con l’antenna, che avrà la capacità di indirizzare il segnale solamente al dispositivo interessato. Questa tecnica è conosciuta con il nome di MiMo massivo o MiMo Beamforming. Essa sfrutta un punto emissivo equipaggiato da un grandissimo numero di antenne che è capace di inviare messaggi multipli a moltissimi terminali, massimizzando così il guadagno di formazione dei fasci di segnale e minimizzando l’interferenza.

5G vs 4G. Credits: https://www.mwrf.com/technologies/systems/article/21849222/differentiate-between-4g-lte-andnonstandalone-5g-nr-antennas

Le antenne 4G invece emettono un segnale circolare che coinvolge più dispositivi, questo potrebbe causare l’aumento della latenza e nei casi peggiori l’intasamento della Banda.

Un’altra novità introdotta dal 5G sta nel tipo di infrastrutture utilizzate.
Le tecnologie attuali usano una rete in fibra ottica per trasportare il segnale fino alle antenne che sono dislocate nel territorio. La rete 5G sarà invece realizzata interamente senza fili e potremo avere comunicazioni dirette tra due dispositivi.

Inoltre, si avrà una virtualizzazione della rete: servizi differenti potranno coesistere sulla stessa struttura massimizzando la sua utilizzazione e riducendo l’impatto ambientale. La nuova tecnologia 5G consentirà anche una riduzione della latenza e così avremo una latenza di un millisecondo contro i 10 millisecondi presenti nel 4G.

In definitiva i vantaggi principali del 5G sono:

  • Velocità di trasmissione aumentata;
  • Connessione simultanea di un numero elevato di dispositivi;
  • Riduzione della latenza;
  • Utilizzo di una rete interamente senza fili;
  • Miglioramento della copertura;
  • Miglioramento dell’efficienza spettrale, ovvero una maggiore quantità di dati per unità di superficie.

Grazie ai suoi vantaggi la rete 5G verrà usata largamente nel mondo dell’IoT in cui moltissimi dispositivi saranno collegati alla rete. Si parlerà di Iperconnessione, ad esempio in una città avremo persone, veicoli, segnali stradali e molti altri oggetti connessi alla rete. In questo contesto sarà diffuso il concetto di “Smart city”, in cui ogni elemento della città sarà collegato ad internet.

Grazie alla latenza ridotta si potrà assistere alla diffusione delle auto a guida autonoma, i veicoli saranno connessi tra di loro e potranno comunicare per la gestione del traffico.

Nel mondo della medicina si diffonderanno le operazioni eseguite da remoto, un medico potrà effettuare un intervento pur trovandosi a chilometri di distanza dalla sala operatoria, controllando un robot connesso alla rete 5G.

La nuova rete favorirà la diffusione dei sistemi basati sull’intelligenza artificiale: reti di sensori pervasivi, dispositivi indossabili, schermi ottici per la realtà aumentata saranno connessi alla rete 5G in modo da creare degli ambienti intelligenti.

Con la nuova tecnologia anche il web verrà rivoluzionato con l’introduzione del World Wide Wireless Web (WWWW), cioè applicazioni globali per il web completamente senza fili.

In conclusione possiamo affermare che la nuova tecnologia 5G migliorerà la vita dell’uomo, introducendo nuovi confort e creerà nuovi mercati e nuove economie.

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