La promessa del 5G: Esagerazione o realtà

Le aziende sono sempre alla ricerca di tecnologie che possano aiutare ad accelerare drasticamente i processi, minimizzando i costi e garantendo la qualità. Gli innovatori aziendali possono capitalizzare su questo aspetto progettando prodotti per l'Internet delle cose che soddisfino le esigenze delle aziende in termini di velocità, al contempo mantenendo i costi al minimo.

La tecnologia wireless di quinta generazione (5G) è promettente per la realizzazione di soluzioni IoT che consentono comunicazioni macchina-macchina (M2M) veloci, estremamente affidabili e a basso costo.

Ma l'emergente 5G può davvero mantenere tutte le promesse? Promesse iperboliche o realistiche?

La promessa del 5G

Molti credono che il 5G renderà possibili situazioni "fantascientifiche" che le vecchie generazioni di tecnologia wireless non supportano. Anche il 4G impallidisce al confronto con il 5G in termini di velocità, latenza e frequenza dello spettro (Figura 1).

Figura 1: Confronto tra 4G e 5G, secondo i dati pubblicizzati. (Immagine per gentile concessione di Voler Systems)

Il 5G ha vari casi d'uso aziendale, tra cui reti private per il trasporto intelligente e l'assistenza sanitaria iperconnessa. Il trasporto intelligente renderà possibili nuovi servizi sfruttando le comunicazioni wireless veloci e affidabili tra veicoli intelligenti e sensori incorporati in strade e ferrovie e consentirà una maggiore visibilità e più controllo sui sistemi di trasporto intelligenti.

Nel settore sanitario, la tecnologia 5G dovrebbe migliorare il benessere dei pazienti, prevedendo i potenziali problemi di salute individuali e organizzando interventi medici precoci. Può contribuire a creare servizi sanitari sostenibili attraverso applicazioni come la chirurgia robotica a distanza. Ecco perché organizzazioni sanitarie lungimiranti come Rush Hospital di Chicago stanno pensando di passare alla connettività 5G.

La realtà, però, è più complessa

Diversi fattori influenzano o impediscono alle aziende di realizzare pienamente il potenziale del 5G. Per prima cosa discutiamo alcune importanti nozioni di base sul 5G:

• Bande di frequenza

Le prestazioni 5G si basano sulla banda di frequenza disponibile (Figura 2). La velocità dati di picco, ad esempio, è solo fino a 100 Mbps all'interno dello spettro in banda bassa (sotto 1 GHz), fino a 400 Mbps all'interno dello spettro in banda media (da 1 GHz a 6 GHz) e fino a 10 Gbps all'interno dello spettro in banda alta (da 6 GHz a 86 GHz). Lo spettro ad alta banda o onde millimetriche (mmWave), tuttavia, ha una disponibilità limitata.

Inoltre, i segnali mmWave non trasmettono più di 100 metri circa e non possono penetrare nelle pareti o persino attraverso le finestre. A causa della densità richiesta delle stazioni base sarà disponibile solo in aree urbane densamente popolate, ma il segnale è bloccato dagli edifici.Tuttavia, l'IoT di solito non ha bisogno dell'alta velocità delle onde millimetriche.

Figura 2: Spettro 5G all'interno di tre bande di frequenza chiave (Immagine per gentile concessione di Voler Systems)

• Classi di servizio 5G

  Le tre classi di servizio 5G sono la banda larga mobile potenziata (eMBB), le comunicazioni ultraaffidabili e a bassa latenza (URLLC) e le comunicazioni massicce di tipo macchina (mMTC). Ognuna ha caratteristiche proprie, applicazioni e limitazioni.

  • eMBB consente velocità di trasmissione dati molto elevate, fino a 10 Gbps (20 volte il 4G), capacità di traffico molto elevata (1 milione di dispositivi/km²) e latenza in aria molto bassa (fino a 4 ms). I suoi casi d'uso includono la realtà virtuale (VR) e la realtà aumentata (AR). Questa è la classe di servizio per i dispositivi intelligenti come smartphone, tablet e UHD TV (4K e 8K).

    Le prestazioni dell'eMBB, tuttavia, dipendono dalla banda di frequenza disponibile. Se la banda di frequenza disponibile è inferiore a 1 GHz, ad esempio, l'esperienza sarà molto simile al 4G (fino a una velocità di trasmissione dati di 100 Mbps verso il basso e di 50 Mbps verso l'alto).La latenza di 4 ms è unidirezionale solo verso il ripetitore più vicino. La trasmissione a lunga distanza è molto più lenta.

  • URLLC è pensato per scenari on-premise come sistemi di trasporto intelligenti (backhaul di infrastrutture), automazione discreta (controllo del movimento), automazione di processo (controllo remoto) e distribuzione di elettricità (alta tensione). Promette una latenza molto bassa (fino a 1 ms) e un'altissima disponibilità e affidabilità (99,9999%), molto meglio del 4G.

    Ma anche se il 5G promette di migliorare radicalmente le prestazioni di URLLC, molto rimane improbabili, come la chirurgia a distanza e i videogiochi ad alta velocità connessi a distanza e la realtà aumentata a casa. L'affidabilità del 99,9999% che promette è discutibile per qualsiasi connessione wireless.

  • mMTC supporterà la diffusione massiccia dell'Internet delle cose e promette un costo molto contenuto dei dispositivi e un consumo energetico molto basso - una proposta interessante per gli edifici intelligenti, la logistica, la tracciabilità, la gestione delle flotte, i dispositivi indossabili e i contatori intelligenti.

    Lo standard mMTC è ancora in fase di scrittura, quindi per ora l'IoT è supportato dagli standard 4G: NB-IoT e LTE-M.

Il 5G non offre al momento tutto ciò che promette

Lo stato attuale dell'mMTC è ben lontano dal battage. Attualmente, il 5G non offre tutto ciò che promette. Gli standard per mMTC sono ancora in fase di elaborazione e le tecnologie 5G esistenti non sono ottimizzate per le dimensioni dei pacchetti e le sessioni brevi. Anche la segnalazione di controllo è inefficiente in quanto richiede 100 byte per inviare 10 byte di dati. Inoltre, gli schemi di codifica dei canali esistenti sono inefficienti per i piccoli pacchetti di dati. La durata prevista di 10 anni della batteria è possibile solo con messaggistica occasionale e velocità di trasmissione molto basse.

Disponibilità del 5G

Anche la disponibilità del 5G è un fattore determinante. La Figura 3 illustra le città e gli operatori che offrono il 5G a partire da maggio 2020. Mostra che la posizione dell'utente e l'operatore utilizzato faranno una grande differenza per i seguenti motivi:

• Solo quattro operatori wireless statunitensi stanno implementando il 5G: AT&T, Verizon, T-Mobile e Sprint.
• Per utilizzare il 5G, è necessario un telefono o un dispositivo 5G
• C'è poca copertura nelle zone rurali
• La copertura ad alta velocità a onde millimetriche è improbabile che verrà offerta in aree suburbane o rurali, in quanto richiederebbe un ripetitore ogni 300 metri
• Alcuni operatori hanno una velocità limitata

Figura 3: Mappa di disponibilità del 5G
Rosso: T-Mobile, Nero: Verizon, Blu: AT&T, Giallo: Sprint (Immagine per gentile concessione di Digital Trends))

E che ne è dei servizi IoT esistenti?

NB-IoT e LTE-M (chiamato anche Cat M o Emtc) coesisteranno con il 5G. La copertura NB-IoT e LTE-M negli Stati Uniti è buona. Nel maggio 2019, Verizon ha annunciato che il 92% della popolazione statunitense è coperta dalla rete NB-IoT.

I servizi non cellulari (ZigBee, LoRa, Ingenu, Sigfox e Weightless), invece, non sono inclusi nel 5G, ma funzioneranno comunque utilizzando uno spettro non autorizzato. Tuttavia non sono disponibili in molte località.

Che cosa significa questo per il futuro dell'IoT?

Per ora i cambiamenti sono pochi.

Ma la tecnologia 4G, NB-IoT e LTE-M, è presente a tappeto solo dal 2019 e permette ai dispositivi a batteria di comunicare direttamente con Internet senza passare attraverso un cellulare o un hotspot Wi-Fi. È il momento di questa tecnologia.

Si noti, tuttavia, che ogni standard wireless ha i suoi vantaggi e svantaggi (Tabella 1). Per conoscere lo standard giusto per la progettazione di dispositivi IoT - ed evitare costosi errori e altri rischi di progettazione - consultate gli esperti di progettazione per IoT o assumete ingegneri competenti in materia.

Tabella 1: Confronto degli standard wireless IoT esistenti (Immagine per gentile concessione di Voler Systems)

Conclusione

Le imprese alimentate dall'IoT con 5G stanno diventando una realtà. Ma poiché il 5G è ancora agli inizi, non offre ancora tutto ciò che promette. Tuttavia, il 5G è una nuova tecnologia promettente che andrà sicuramente a beneficio delle imprese.

Gli innovatori aziendali possono contribuire a rendere le promesse 5G una realtà, progettando dispositivi 5G o 4G pronti, sicuri e affidabili. Non è un compito semplice e richiede l'aiuto di esperti.

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