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FUTURE PROOF

5G, microonde e onde millimetriche

Si tratta di sistemi radio che possono risultare competitivi rispetto all’uso delle fibre ottiche. La rubrica di Maurizio Dècina

13 Mag 2016

Maurizio Decina, Emeritus Professor, Politecnico di Milano

La Figura illustra lo spettro a radiofrequenze tra 0 e 100 GHz: vengono qui brevemente illustrati i suoi usi per i sistemi radiomobili di quinta generazione, 5g. Per le comunicazioni terrestri oggi sono adottate le frequenze fino a 6 GHz. I sistemi radiomobili cellulari 2g/3g/4g occupano le frequenze fino a 3 GHz, mentre le frequenze tra 3 e 6 GHz sono dedicate a sistemi N-LoS (Non-Line of Sight) di tipo senza licenza, ovvero fixed wireless. Spiccano poi due aree dello spettro delle frequenze superiori ai 6 GHz: lo spettro a “microonde” e lo spettro a “onde millimetriche”. Come noto le lunghezze delle onde radio sono inversamente proporzionali alle frequenze spettrali: quando le frequenze sono elevatissime oltre i 60 GHz allora le lunghezze d’onda sono dell’ordine del millimetro. L’uso di sistemi radio a microonde oppure ad onde millimetriche per il back-fronthauling di piccole celle (100-200 m) nella configurazione C-Ran (Cloud Radio Access Network) si prospetta come competitivo rispetto all’uso di fibre ottiche.

Le frequenze tra 6 e 43 GHz sono dette a microonde (microwave), sono assegnate su licenza e sono partizionate in Fdd (Frequency Division Duplex) con canali a banda “stretta” da 56 MHz, oppure da 112 MHz, questi ultimi disponibili solo sui 42 GHz. Huawei stima che con i canali più ampi si riescano a trasmettere fino a 4 Gbit/s su distanze superiori a i 5 km per realizzare back-front-hauling di celle 5g con tecnica punto-punto, oppure multipunto (quest’ultima a frequenze di 26-28 GHz). Vanno utilizzate tecniche Mimo (Multiple Input Multiple Output) con diversità spaziale 4×4, ed una modulazione Qam (Quadrature Amplitude Modulation) a 4.096 stati.

A partire dai 57 fino ai 95 GHz c’è lo spettro ad onde millimetriche (millimetre-wave, ovvero: mmWave). In queste bande, il cui uso terrestre era impraticabile fino a qualche anno fa, c’è ampia disponibilità di canali a larghissima banda, da 250 MHz fino a 5 GHz. Spiccano le due bande: la banda V, che va da 57 a 64 GHz, e la banda E, che va da 71 a 86 GHz. Ambedue le bande sono usate sia in Tdd (Time Division Duplex) che in Fdd. Inoltre, c’è la banda da 92 a 95 GHz usata in Tdd. Queste bande possono essere assegnate con o senza licenza e essere dedicate al punto-punto. Nec e Huawey stimano che si possano ottenere velocità di trasmissione anche molto maggiori di 10 Gbit/s su distanze fino a 5-10 km.

L’uso delle onde millimetriche presenta sfide e opportunità. Il problema più rilevante è relativo alle perdite di propagazione (la degradazione del segnale radio all’aumentare della distanza tra trasmettitore e ricevitore) che sono enormi se confrontate con quelle ottenibili a frequenze basse. In particolare, l’attenuazione da pioggia e gli assorbimenti atmosferici limitano l’uso delle onde millimetriche ai sistemi di accesso wireless per piccole celle della dimensione non più grande di 100-200 metri. Inoltre, le antenne trasmittenti e riceventi devono operare con fasci radio (radio beam) direzionali con modalità Los (Line of Sight): le antenne puntano dinamicamente i fasci radio al fine di ottenere il massimo guadagno di propagazione. Infine, le onde millimetriche sono sensibili al blocco di propagazione dovuto agli ostacoli, tipo essere umani in movimento o ostacoli ambientali: questo fenomeno può causare problemi alle comunicazioni sensibili ai ritardi, del tipo Hdtv.

L’uso di onde millimetriche nel front/backhaul di piccole celle risulta molto attraente dal punto di vista dei costi e delle prestazioni che possono essere ottenute su distanze fino a 5-10 km: in questo caso gli ostacoli possono essere evitati nelle connessioni punto-punto in visibilità tra le antenne. La disponibilità di canali a larghissima banda nelle bande V ed E, consentirà di ottenere velocità di download anche molto maggiori di 10 Gbit/s.

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