Uno specifico approfondimento merita ovviamente lo sviluppo delle reti 5G, in parte implementato in parallelo alle reti 4G di nuova generazione (si parla spesso di versioni di apparati di rete “5G ready”), e di come il 4G stia rubando il campo al 3G con un piano di dismissione (decommissioning) della rete UMTS che coinvolge progressivamente vari operatori in Italia e nel mondo. A parte un breve accenno a questi argomenti al termine di questo paper, nel seguito resteremo focalizzati sulla domanda specifica: qual è la differenza rispetto al 4G “classico”? Per ulteriori approfondimenti sulle evoluzioni del 5G e del 3G rimandiamo alla lettura di altri articoli del nostro sito.
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
Con lo sviluppo delle Release 10/11/12 dello standard 3GPP, è stata introdotta una nuova evoluzione dell’LTE denominata “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):
Frequenza | Tecnologia | Numerazione della frequenza | Attuale utilizzo (2018) |
800 MHz | FDD | Banda 20 | 4G |
900 MHz | FDD | Banda 8 | 2G/3G |
1500 MHz | SDL | Banda 32 | 4G supplemental downlink |
1800 MHz | FDD | Banda 3 | 2G/4G |
2100 MHz | FDD | Banda 1 | 3G/4G |
2600 MHz | FDD | Banda 7 | 4G |
2600 MHz | TDD | Banda 38 (in test) | 4G (in futuro) |
Tabella 1 – Le Frequenze dedicate al 4G in Italia
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
Banda | Frequenza portante | Spettro disponibile (4G) |
20 | 800 MHz | 2 x 10 MHz |
32 | 1500 MHz | 20 MHz |
3 | 1800 MHz | 2 x (10 / 15 / 20) MHz (a seconda delle città) |
1 | 2100 MHz | 2 x 5 MHz (in fase test in alcune città) |
7 | 2600 MHz | 2 x 15 MHz |
Per quanto riguarda TIM, a seconda delle zone, vi è un differente utilizzo delle frequenze a seconda della zona geografica, soprattutto per ciò che riguarda la banda 3.
VODAFONE
Banda | Frequenza portante | Spettro disponibile (4G) |
20 | 800 MHz | 2 x 10 MHz |
32 | 1500 MHz | 20 MHz |
3 | 1800 MHz | 2 x (10 / 15 / 20) MHz (a seconda delle città) |
1 | 2100 MHz | 2 x (5 / 10) MHz (a seconda dell'area) |
7 | 2600 MHz | 2 x 15 MHz |
Anche per Vodafone vi è un differente utilizzo delle frequenze per la banda 3.
WIND TRE
Banda | Frequenza portante | Spettro disponibile (4G) |
20 | 800 MHz | 2 x 10 MHz |
3 | 1800 MHz | 4 x 10 MHz |
1 | 2100 MHz | 4 x 10 MHz |
7 | 2600 MHz | 4 x 20 MHz |
38 | 2600 MHz | 2 x 15 MHz |
ILIAD
Banda | Frequenza portante | Spettro disponibile (4G) |
8 | 900 MHz | 2 x 5 MHz |
3 | 1800 MHz | 2 x 10 MHz |
1 | 2100 MHz | 2 x 10 MHz |
7 | 2600 MHz | 2 x 10 MHz |
Da notare che ILIAD dedica già la banda 900 Mhz al 4G mentre i competitor la stanno ancora utilizzando per il 3G, così come in parte la banda 2100 Mhz. AGCOM ha prorogato le licenze per queste frequenze al 31/12/2029 e in questo periodo è verosimile che verranno progressivamente dismesse per il 3G e utilizzate prevalentemente per il 4G.
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 (CA) 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)
Ad oggi gli operatori italiani sono riusciti ad aggregare tramite la funzionalità di CA di LTE + un massimo di 3 frequenze, incrementato poi a 4 con lo sviluppo del 4,5G.
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 2x2 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
Fig.2 : Esempio di combinazione di 2x2 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.
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 in LTE+ 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)
Operatore | LTE (4G) | LTE-Advanced (4G+) | LTE-Advanced (4,5G) | Aggiornamento |
Single-Carrier
(100/150 Mbit/s- Download) | Dual-Carrier
(225 Mbit/s Download) | Three-Carrier
(300/340 Mbit/s Download) | Three/Quad-Carrier
256QAM
(500/550 Mbit/s Download) | Quad-Carrier
256QAM
MIMO 4x4
(700/800/1000 Mbit/s Download) |
Comuni | % | Comuni | Comuni | Comuni | Comuni |
TIM | 7.616 | 99,5% | 2.102 | 215 | 4 | 8 | marzo 2020 |
Vodafone | 7.433 | 98,3% | 3.600 | - | - | 33 | luglio 2020 |
Wind Tre | - | 99,6% | - | - | - | 7800 | luglio 2020 |
Tabella 2 – La copertura 4G , 4G+ e 4,5G in Italia
LTE ADVANCED PRO
Il successivo step di evoluzione di LTE ,corrispondente allo sviluppo della release 13 dello standard 3GPP, 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 8x8 MIMO.
Tenendo conto però che gli operatori generalmente non hanno licenza per più di 3 o 4 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 portata a termine tra Fastweb e Tiscali: con questo accordo Fastweb, intenzionata a 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.
Per quanto riguarda gli sviluppi di rete 4,5G in Italia, come si evince dalla tabella 2 la velocità di 1Gbit/s è stata raggiunta soltanto da Windtre, peraltro con copertura nazionale, mentre gli altri operatori a livello nazionale hanno sviluppato solo il 4G+ con una velocità massima di download di 150Mbit/s e solo in alcune zone geografiche arriva fino a 300Mbit/s. Solo in pochi comuni TIM e Vodafone riescono a ottenere il massimo della velocità consentita dalla loro rete 4,5G ovvero 700Mbit/s.
Probabilmente gli imminenti sviluppi e investimenti in direzione del 5G hanno spinto gli operatori a non investire più nel 4,5G e a puntare invece a ottenere performance migliori in termini di velocità di rete direttamente sulla infrastruttura 5G più che sul 4,5G.
Inoltre è da notare che TIM e Vodafone per aumentare il numero di portanti hanno dovuto aggregare anche la banda 32 (liberata solo nel 2016, e disponibile solo per il downlink), che però non è supportata da alcuni modelli di smartphone, mentre Wind disponendo di più ampie porzioni di spettro nelle bande “classiche” non ha dovuto incontrare questo ostacolo.
La difficoltà nell’implementare nuove release di LTE e le nuove infrastrutture 5G infatti 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 4G più avanzati riescono a supportare una velocità massima (download) di 2Gbps (ammesso ovviamente che la rete dell’operatore possa raggiungere tale velocità), e sono classificati come Cat. 20.
In tabella 1, tabella 2 e tabella 3 troviamo l’elenco di tutte le categorie oggi disponibili e le relative velocità massime.
Nota: dalla cat. 12 in poi gli apparati non vengono più classificati con un unica categoria ma con 2 distinte per l’uplink e il dowlink.
Tabella 1: elenco User Equipment category DL/UL (fonte : Rhode&Shwarz)
Tabella 2: elenco User Equipment category DL (fonte : Rhode&Shwarz)
Tabella 3: elenco User Equipment category UL (fonte : Rhode&Shwarz)
VERSO il 5G
Dalla release 14 di 3GPP in poi, tutti gli sviluppi si sono concentrati sull’evoluzione 5G.
In Italia, il 5G ha già visto le sue prime applicazioni sperimentali con i 3 operatori principali. Segue un riepilogo dei piani di implementazione di ognuno di essi.
TIM
I primi servizi sul 5G sono partiti a luglio 2019 a Roma, Torino e Napoli, e successivamente a Firenze e Genova, in progressiva estensione ad altre 4 città, 30 destinazioni turistiche, 50 distretti industriali e 30 progetti specifici per le grandi imprese, con velocità fino a 2 Gigabit al secondo.
Successivamente saranno 120 le città coperte, 200 le destinazioni turistiche, 245 i distretti industriali.
A gennaio 2020 il 5G sulla rete TIM ha superato i 2Gbps utilizzando per la prima volta la banda di frequenza a 26 GHz; sul territorio nazionale però verra principalmente usata la banda a 3,7 GHz
La copertura nazionale 5G è prevista entro il 2025/2026.
WINDTRE
Per incrementare la capacità e la velocità di trasmissione dati in ottica 5G, inizialmente Wind Tre impiegherà una rete con architettura Non-Standalone (NSA), che permetterà di fare leva sulla tecnologia LTE e consentirà una graduale introduzione del 5G a partire dalla seconda metà del 2020 e negli anni successivi.
In seguito, una volta completato il processo di standardizzazione delle tecnologie, la rete evolverà nell'ottica di supportare architetture 5G Standalone (SA).
Wind Tre prevede un piano di roll-out del 5G che coprirà le principali 200 Provincie Italiane nel biennio 2020-2021 con una copertura di circa il 58% della popolazione Italiana.
Le 200 Provincie sono indicate di seguito.
VODAFONE
A giugno 2019, prima in Italia, Vodafone ha lanciato la Giga Network 5G nelle prime 5 città: Milano e 28 comuni nell'area metropolitana, Roma, Torino, Bologna e Napoli, a cui seguiranno le prime 100 città italiane e principali località turistiche entro il 2021.
Attualmente l’elenco dei comuni ufficialmente lanciati è il seguente:
Roma, Milano, Torino, Bologna, Napoli
E inoltre:
La GigaNetwork 5G ha già raggiunto anche alcune aree di Assago, Bollate, Bresso, Carugate, Cassina de' Pecchi, Cinisello Balsamo, Cologno Monzese, Cusano Milanino, Garbagnate Milanese, Lainate, Legnano, Melegnano, Novate Milanese, Opera, Parabiago, Pessano con Bornago, Pioltello, Rho, Rozzano, San Donato Milanese, San Giorgio su Legnano, San Giuliano Milanese, Sedriano, Segrate, Senago, Sesto San Giovanni, Solaro, Trezzano sul Naviglio.
DISMISSIONE DEL 3G
Nel Luglio 2020 VODAFONE ha effettuato un test limitato ad alcune province dell’Emilia Romagna di dismissione del 3G per riutilizzare le frequenze in modalità 4G.
Non esiste ancora un piano ufficiale di dismissione, il cui impatto può essere importante per i device, spesso IoT, che non siano dotati di un modem 4G e che non riescano a lavorare in modalità 2G/EDGE (queste frequenze sono più lontane dalla dismissione) a causa della quantità di dati da scambiare.
Anche alcuni smartphone che non supportano la gestione della voce su 4G in modalità VoLTE (Voice Over LTE) in assenza di copertura 3G sarebbero costretti a usare il 2G per le comunicazioni vocali e la messaggistica, impedendo di fatto la contemporaneità delle sessioni dati.
Rimandiamo alla lettura di altri articoli del nostro sito per ulteriori approfondimenti e aggiornamenti su questo tema.