Prime città a 5G

Si parla oggi molto spesso di due nuove versioni di 4G, ovvero 4G+ (4GPlus) e 4,5G.
Qual è la differenza rispetto al 4G “classico”?
Anzitutto bisogna fare riferimento allo standard di trasmissione associato al 4G, ovvero LTE, acronimo di Long Term Evolution (il 3G invece era basato sullo standard UMTS).
L’LTE su cui è basato il 4G “classico”, si è evoluto prima in LTE Advanced, che ha dato origine alla nuova denominazione 4G+, e poi in LTE Advanced Pro, che ha generato il 4,5G.
Vediamo allora le differenze tra queste diverse “release” di LTE.

LTE ADVANCED

La caratteristica principale che distingue LTE+ (o LTE Advanced) dall’ LTE è la capacità di offrire velocità più elevate, senza impatto sulle infrastrutture esistenti e sulla qualità del segnale.
Il raggiungimento di questo obiettivo è stato possibile grazie alla tecnica CA (Carrier Aggregation), che permette di aggregare simultaneamente porzioni di banda di frequenze diverse, e alla tecnica MIMO (Multiple Input Multiple Output), che sfrutta la trasmissione contemporanea da due o più antenne.
Per comprendere come l’aggregazione di banda possa avere impatto sulla velocità di trasmissione, bisogna tener conto della distribuzione delle frequenze portanti (frequenze che gli operatori possono utilizzare per le loro trasmissioni).
Ad ogni operatore infatti, per la trasmissione 2G/3G/4G vengono assegnate più frequenze, e in particolare le frequenze italiane sono così denominate (Tabella 1):

Tabella 1 – Le Frequenze dedicate al 4G in Italia

Se consideriamo la trasmissione 4G, sono pertanto disponibili 3 frequenze: 800MHz, 1800 MHz, 2600 MHz.
Per ognuna di queste frequenze, la porzione di banda utilizzata per la trasmissione può essere differente a seconda dell’operatore e a seconda della zona geografica.
A seconda dei MHz (suddivisi in blocchi da 5MHz l’uno) assegnati ai singoli operatori, le larghezze di banda per le singole frequenze risultano essere differenti. In particolare, vediamone la distribuzione per gli operatori italiani:

TIM

Per quanto riguarda TIM, a seconda delle zone, vi è un differente utilizzo delle frequenze, soprattutto per ciò che riguarda la banda 3.

VODAFONE

Anche con Vodafone vi è un differente utilizzo delle frequenze per la banda 3.

WIND

Per quanto riguarda WIND, vi è un ampio uso della banda 20, inoltre in un numero sempre maggiore di centri abitati, Wind sta diffondendo la banda 7. Wind attualmente non destina la banda 3 al 4G (pur disponendo di 15 MHz in GSM che tutt’ora mantiene invariati). Inoltre non dispone nemmeno di tecnologia LTE Advanced, sebbene sia in programma la sua introduzione.

3 Italia

3 Italia fa un ampio utilizzo dalla banda 3, e destina la banda 7 solamente alle zone dove viene utilizzata contemporaneamente alla banda 3, aggregandole assieme per fornire il 4G+ per velocità fino a 187,5Mbit/s. Allo stato attuale, 3 Italia non utilizza la banda 38 TDD, pur disponendo della licenza. Questa frequenza è al momento in fase di test.

Come si è visto quindi ogni operatore possiede licenza per l’utilizzo di porzioni di banda che si trovano a frequenze (il termine tecnico è “carrier”) diverse. Per poter aumentare la velocità di trasmissione dei dati, è indispensabile poter aumentare la banda utilizzata.

Ne va di conseguenza che, trovandosi la banda a disposizione “sparpagliata” su diverse frequenze, un modo per aumentare la velocità di trasmissione e quindi la banda totale utilizzata è quello di aggregare frequenze diverse per poter così sommare tra loro i singoli segmenti di banda ad esse associate.

La funzionalità di Carrier Aggregation rende appunto possibile questa operazione, consentendo l’aggregazione fino a 5 frequenze (carrier) diverse (vedi Fig.1).

Fig. 1 – Il funzionamento del Carrier Aggregation (rif. 3GPP website)

Oltre alla banda, per migliorare la velocità della rete bisogna aumentare anche la massima efficienza spettrale raggiungibile, ovvero la quantità di bit/secondo che si possono inviare per ogni Hz di banda utilizzato.

Nel caso di LTE Advanced, la massima efficienza spettrale è di 30 bit/secondo per Hz (contro i 16bit/secondo di LTE).

La funzionalità che permette di aumentare l’efficienza spettrale è l’altra tecnica che abbiamo menzionato all’inizio: MIMO.

Questa tecnica consente di trasmettere in contemporanea da più antenne alla stessa frequenza e nello stesso momento, sia dal lato rete che lato terminale mobile. Per poter distinguere i due flussi di informazione, viene utilizzato un particolare segnale di riferimento.

Questa tecnica era già stata introdotta con la prima versione di LTE, ma si limitava ad un massimo di 2 antenne in trasmissione e 2 in ricezione, in termini tecnici 2×2 MIMO. Con LTE Advanced è stato possibile arrivare fino a 4x4MIMO.

Combinando le due tecniche MIMO e CA, è stato possibile arrivare al raddoppio della velocità raggiunta dalla rete LTE (vedi Fig. 2).

Fig.2 : Esempio di combinazione di 2×2 MIMO con aggregazione di 3 carrier

Qual è dunque la massima velocità che può essere raggiunta con questa release di LTE?

La massima porzione di banda che può essere associata ad ogni singola frequenza è di 20MHz. È quindi facilmente comprensibile come aggregando 5 porzioni di banda da 20MHz ciascuno (per un totale di 100MHz), la massima velocità ottenibile sia pari a 30 bps x 100 = 3000 Mbit/secondo (3Gbps).

La massima velocità di cui si parla è riferita alla velocità di Download; per quanto riguarda invece la velocità di Upload il massimo che si può ottenere è 1,5Gbps.

Stiamo parlando ovviamente di velocità teoriche; nella pratica abbiamo già visto che i principali operatori italiani non dispongono di canali a 20MHz se non per un numero limitato di città italiane, e dispongono di un massimo di 3 frequenze.

Inoltre l’efficienza spettrale attualmente disponibile non supera i 7,5 bit/secondo.

Nella pratica quindi, la massima velocità che attualmente un operatore può ottenere con l’aggregazione di 3 segmenti di banda delle 3 diverse frequenze (800MHz, 1800 MHz, 2600 MHz) è di 340Mbps, come mostrato in Tabella 2 (ottenuta dalla somma delle 3 velocità massime associate alle 3 frequenze, ovvero 75+150+112,5 Mbps):

Tabella 2 – La copertura 4G e 4G+ in Italia

A fine 2016 TIM ha testato a Torino una nuova release di apparati che gli ha consentito di aumentare l’efficienza spettrale e di raggiungere (sfruttando le 3 frequenze a disposizione) la velocità di 500Mbps. L’upgrade della rete dovrebbe essere esteso nei prossimi mesi anche ad altre città.

Per il momento sembra essere l’unico operatore in Italia ad aver raggiunto questo traguardo.

LTE ADVANCED PRO

Il successivo step di evoluzione di LTE è la versione LTE Advanced Pro, che ha generato la nuova denominazione 4,5G.

Questa versione introduce dal punto di vista della Carrier Aggregation un aumento del numero massimo di frequenze che si possono aggregare, passando da 5 a 32, e dal punto di vista della tecnica MIMO un aumento fino a 8×8 MIMO.

Tenendo conto però che gli operatori generalmente non hanno licenza per più di due o tre frequenze, la CA da sola non sarebbe di utilità per aumentare la velocità trasmissiva.

La vera importante novità di LTE Advanced Pro consiste nell’introduzione di un’altra funzionalità, la LAA (Licensed Assisted Access), che permette l’aggregazione di bande licenziate e non licenziate, insieme alla LWA (LTE- Wifi Aggregation) che consente invece l’utilizzo contemporaneo di LTE e Wi-fi.

Diventa quindi importante in questo momento per gli operatori assicurarsi l’accesso alle frequenze Wi-fi, non solo per poter implementare i servizi 4,5G, ma anche per segnare una nuova tappa nella corsa verso il 5G.

Va probabilmente in questa direzione ad esempio la partnership recentemente portata a termine tra Fastweb e Tiscali: con questo accordo Fastweb, che dichiara voler portare i servizi 5G sulla propria rete, si è assicurata l’accesso alle frequenze Wi-fi di Tiscali.

Al momento comunque la funzionalità LWA è in fase di test, e non è ancora stata introdotta nella rete di alcun operatore.

La difficoltà nell’implementare nuove release di LTE non è soltanto da parte degli operatori che devono rinnovare la loro rete, ma anche da parte dei produttori di telefoni cellulari, che devono introdurre nuove componenti e ri-progettare i loro apparati.

È necessario infatti che le funzionalità di cui abbiamo parlato siano supportate anche lato terminale, che altrimenti non potrebbe essere compatibile con la rete.

Ad oggi gli Smartphone più avanzati riescono a supportare una velocità massima di 450Mbps, ovvero sono classificati come Cat. 9.

Non è sufficiente infatti che uno smartphone supporti genericamente il 4G per poter accedere alla massima velocità offerta dall’operatore, deve anche appartenere alla categoria che supporta le funzionalità necessarie.

In tabella 3 troviamo l’elenco di tutte le categorie oggi disponibili e anche quelle che lo saranno in futuro (dalla 10 in poi), e le relative velocità massime.

Tabella 3: elenco User Equipment category

Per quanto riguarda gli sviluppi di rete, come abbiamo visto in Italia è stata appena testata la velocità di 500Mbps, mentre in Australia l’operatore Telstra per primo (nel mondo) ha già condotto positivamente dei test alla velocità di 1Gbps. In questa occasione Qualcomm, società partner di Telstra e produttrice del processore in grado di supportare quello che è stato battezzato come GigabitLTE, ha dichiarato che prevedono per la metà del 2017 l’arrivo di smartphone di Categoria 16, in grado quindi di supportare GigabitLTE.

FM