6G - una visione delle comunicazioni wireless di domani

Anche se le reti 5G dovrebbero crescere e svilupparsi ulteriormente negli anni a venire, gli strateghi della tecnologia stanno già offrendo visioni che guardano ben oltre il 5G. Se in questo contesto gli scenari 6G diventeranno realtà, possiamo aspettarci, negli anni Trenta del ventunesimo secolo, un paese delle meraviglie per le comunicazioni. Rohde & Schwarz è un fornitore leader di apparecchiature di misura e collaudo fin dagli albori dell'era delle comunicazioni digitali wireless. Oggi l'azienda supporta l'evoluzione del settore in qualità di stretto partner, per aiutare a far diventare realtà la visione della sesta generazione di comunicazioni wireless.

È solo questione di velocità più elevate?

A partire dall'introduzione dello standard LTE, la maggior parte degli utenti di telefonia mobile ha ritenuto soddisfatte le proprie esigenze. Con velocità di download fino a diverse centinaia di megabit al secondo, trasmettere contenuti video ad alta risoluzione o scaricare file di grandi dimensioni in pochi secondi non crea alcun problema. Disponibile già in molti luoghi del paese, il 5G sta moltiplicando la velocità disponibile, ma per i singoli utenti non ha, praticamente, alcun altro vantaggio reale. Tuttavia, idee per la fase evolutiva successiva esistono già da tempo. Ma questo sistema tecnicamente avanzato 5G - che è soggetto a un continuo sviluppo e ampliamento - ha forse lasciato scoperti dei requisiti che potrebbero eventualmente motivare questa ulteriore evoluzione?

Questa domanda è stata formulata da una coppia di autori nel settembre 2018*). Da allora, l'argomento ha conosciuto, da solo, un interessamento di tutto rispetto. Pur essendo iniziato come argomento di discussione per esperti, il 6G è diventato, da allora, una sorta di "elefante politico" per l'ambito tecnologico e industriale che sta ricevendo "nutrimento" sotto forma di sovvenzioni alla ricerca e allo sviluppo per diversi miliardi in tutto il mondo. Sulla base dell'analisi delle potenzialità delle tecnologie attuali e di quelle future attualmente in fase di sviluppo o visibili all'orizzonte, si è cristallizzata una visione che si lascia sempre più alle spalle tutto ciò che è stato possibile fino ad oggi.

*) Klaus David, Hendrik Berndt: 6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G? ("Visione e requisiti del 6G: C'è bisogno di andare oltre il 5G?") IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 13, numero 3, Sett. 2018

Da persona a persona

Tutto è iniziato in modo molto convenzionale più di tre decenni fa. Dopo la prima generazione analogica (1G) che risale agli anni Cinquanta del ventesimo secolo, la prima generazione di comunicazioni wireless digitali fece la sua apparizione nei primi anni Novanta. Lo standard europeo Global System for Mobile Communications (GSM) 2G è diventato un importante prodotto di esportazione, proprio come ha fatto anche il simulatore del sistema GSM di Rohde & Schwarz. Questo sistema è considerato ancora un pioniere delle comunicazioni wireless.

La prima generazione di comunicazioni digitali wireless è stata progettata semplicemente come sistema di telefonia vocale. Anche semplici servizi di dati, come l'invio di messaggi di testo, necessitavano di risistemazioni a posteriori. La rapida crescita di Internet ha fatto nascere in fretta il desiderio di avere anche un accesso mobile a Internet. Le applicazioni di dati erano, pertanto, un elemento chiave nella specifica dei requisiti per la generazione successiva conosciuta come 3G, lanciata nel 2001. Tuttavia, è apparso rapidamente ovvio che il sistema 3G non aveva la capacità necessaria per sostenere la rapida crescita del traffico di dati. Il nome dello standard successivo (4G) faceva capire che i progettisti non intendevano ripetere lo stesso errore. Long Term Evolution (LTE) è stato costruito per soddisfare i requisiti futuri per un periodo di tempo prolungato attraverso aggiornamenti continui. Le primissime reti basate su questo standard sono entrate in funzione nel 2010 e costituiscono tuttora la spina dorsale del sistema di comunicazione wireless.

Tutti gli standard fino al 4G erano finalizzati alle comunicazioni umano-centriche. L'attenzione principale era risolta all'acquisizione veloce delle informazioni (il downlink), e lo streaming video HD era considerato la killer application. In questo contesto, il 4G era del tutto sufficiente. Gli stimoli per l'ulteriore evoluzione sono arrivati da una direzione completamente diversa.

Quattro chiacchiere tra macchine

Nel frattempo, vari settori industriali avevano iniziato a sviluppare scenari che richiedevano un'infrastruttura di comunicazione wireless molto performante, con caratteristiche che l'LTE non poteva supportare. L'Industria 4.0, ad esempio, si basa su collegamenti radio estremamente affidabili con tempi di transito del segnale end-to-end nella gamma inferiore dei millisecondi. Le macchine costruite per eseguire un'attività comune alla massima velocità in sincronia tra loro hanno bisogno di un'infrastruttura di dati che possa tenere il passo con il loro ritmo di lavoro. Se questo non è un problema con le normali connessioni via cavo, diventa una sfida quando si utilizzano collegamenti via radio. Tuttavia, la radio è obbligatoria per garantire la flessibilità che caratterizza l'Industria 4.0.

Il settore dei trasporti fornisce attualmente un campo di applicazione completamente nuovo per le comunicazioni wireless. Anche nel livello 5 ancora lontano, la guida autonoma non sarà così autonoma come il termine potrebbe suggerire. In definitiva, i veicoli devono condividere le strade, i semafori e altre infrastrutture con innumerevoli altri utenti della strada, producendo interazioni che richiedono un alto livello di coordinamento. Questo significa che i veicoli devono essere collegati l'uno con l'altro, nonché con le infrastrutture distribuite lungo le strade e con un centro di controllo del traffico. Poiché esistono molte possibili situazioni critiche per la sicurezza, come una frenata di emergenza, il trasferimento veloce e affidabile del segnale è una priorità assoluta.

Per contro, i requisiti associati alle applicazioni wireless della città intelligente e della casa intelligente sono abbastanza differenti. Ad esempio, dispositivi come contatori di utenze e contenitori di rifiuti sono dotati di sensori ed elementi di controllo che possono essere interrogati o attivati a distanza. L'obiettivo è eliminare la necessità di accedere manualmente ai dispositivi e consentire l'attivazione di azioni basate sui dati acquisiti. A tale scopo sono richieste solo comunicazioni radio sporadiche e la quantità di dati è molto contenuta. Uno scenario tipico potrebbe coinvolgere migliaia di dispositivi utente analoghi alimentati a batteria. Un sistema radio come LTE, progettato per alte prestazioni, è chiaramente sovradimensionato per applicazioni con prestazioni così basse. Inoltre, alcuni requisiti speciali come il consumo ridotto di corrente non vengono soddisfatti.

Sono state applicazioni di questo tipo che hanno influenzato la progettazione del 5G. L'attenzione principale è passata dalle persone ai dispositivi e alle macchine, cioè all'Internet delle cose (IoT).

Manca qualcosa?

Il 5G è già ben sviluppato in molti paesi. L'attenzione però - anche in termini di standardizzazione da parte dell'organizzazione responsabile 3GPP - era rivolta inizialmente al gruppo di applicazioni della banda larga mobile potenziata (eMBB). L'atteso boom della connettività delle fabbriche, dei trasporti e dell'IoT non si è ancora materializzato. Tuttavia, stanno già emergendo applicazioni in cui il 5G non sarebbe sufficiente anche se tutte le sue opzioni tecniche fossero sfruttate in modo coerente. Anche per il 5G sono previste diverse fasi di sviluppo. A partire dalla Release 18 della specifica standard (la versione finale è prevista per il 2024), sarà usato il termine 5G-Advanced. Nonostante la mancanza di un accordo formale, l'industria ha già sostanzialmente deciso di attribuire alcune caratteristiche prestazionali a una nuova generazione di rete nota come 6G. L'obiettivo per l'introduzione del 6G è stato fissato, più o meno per abitudine, nell'anno 2030.

Naturalmente, fin dal 2G la regola per definire le generazioni è stato un ciclo di 10 anni, e questa sembra una scelta ovvia per continuare. Le generazioni precedenti differivano anche in termini tecnici, ad esempio nei diversi metodi di accesso al canale (modi di utilizzare il canale radio). Il metodo di accesso al canale nonché il tipo di codifica dei dati e la larghezza della banda di trasmissione utilizzabile hanno una grande influenza sulle prestazioni del sistema. Come fornitore di apparecchiature di misura e collaudo, Rohde & Schwarz ha sostenuto e plasmato questa tecnologia fin dall'inizio.

A partire dal 5G, i progressi tecnici sono stati guidati dalle fantasie di vari settori industriali. Gli scenari futuri stanno emergendo da diverse direzioni e si mescolano generando un affascinante quadro d'insieme. Per infondere vita a questo quadro saranno necessarie tecnologie in massima parte non ancora disponibili, ma che saranno a portata di mano nel medio termine. L'interazione tra tutte queste tecnologie sarà conosciuta come la "sesta generazione wireless". Questo termine austero, tuttavia, è lungi dal descrivere l'intera visione a cui si mira.

Gemelli digitali sul ponte ologrammi

Il fondatore di Facebook, Marc Zuckerberg, ha presentato la sua visione del futuro dell'impresa lo scorso autunno. Il piano generale prevede la conversione a lungo termine dell'attuale piattaforma di social media in un "metaverso". Dalla realtà virtuale (VR) e realtà aumentata (AR) alla realtà estesa (XR): fondere il mondo reale e il mondo virtuale per formare un mondo artificiale. Incarnati come personalità digitali o avatar che vengono proiettati come ologrammi nello spazio della realtà estesa, gli utenti saranno in grado di passare, senza soluzione di continuità, tra chat room, mondi ludici e centri commerciali, senza mai abbandona l'ambiente sintetico. Mentre non sono stati ancora chiariti tutti i dettagli di come questo funzionerà, è chiaro che un ruolo importante sarà svolto dagli occhiali per realtà virtuale.

Naturalmente, ciò non è del tutto nuovo. Gli occhiali per realtà virtuale sono disponibili in commercio da anni e vengono già utilizzati, soprattutto per applicazioni industriali. Gli specialisti usano gli occhiali, per esempio, per proiettare un modello 3D di un pezzo da montare nell'immagine reale, insieme alle informazioni su come maneggiare il pezzo. La persona che indossa gli occhiali può anche interagire manualmente con la proiezione olografica come se fosse reale. Questo comprende anche il toccare e manipolare la proiezione stessa. Rendere un tale sistema disponibile in milioni di utilizzi e alla portata di tutti è uno degli scenari guida del 6G.

Se portata alla sua logica conclusione, la realtà estesa - combinazione di mondi reali e virtuali - comprende una serie di altre visioni sostanziali. L'obiettivo a lungo termine è quello di raggiungere un'immersione totale in un nuovo mondo che viene vissuto come se fosse reale. Ciò comprende elementi come la risoluzione ottica tridimensionale capace di stimolare pienamente la vista umana, un ambiente acustico appropriato, una reazione istantanea di tutti gli oggetti sintetici (Internet tattile) e, infine, una rappresentazione credibile di tutte queste cose.

È significativo, tuttavia, che alcuni di questi oggetti corrispondono a controparti del mondo reale. Questi "gemelli digitali" sono, infatti, rappresentazioni virtuali interattive di oggetti e macchine reali che possono essere manipolati dal metamondo. La capacità di azionarli a qualsiasi distanza arbitraria dalla macchina ha conseguenze potenzialmente di vasta portata per l'organizzazione del lavoro. I potenziali effetti a catena sulla società potrebbero includere anche una rinascita delle aree rurali, se la necessità di essere presenti nei centri urbani diminuirà.

Cosa ha a che fare tutto questo con il 6G? La potenza di calcolo necessaria per rendere possibile questo mondo artificiale immersivo personalizzato per ogni utente supererà di gran lunga le capacità degli occhiali per realtà virtuale, specialmente se gli occhiali devono essere graziosi e discreti come quelli normali. A tale scopo sarà richiesta necessaria una potenza di calcolo esterna, che potrebbe comportare nient'altro che uno smartphone nella tasca dell'utente. Nei casi in cui ciò non sia sufficiente, il compito può essere delegato a un computer vicino o venir trasferito, se si è in movimento, ad un server cloud (edge, fog, cloud computing).

È qui che entra in gioco il 6G. Il trasferimento di gigantesche quantità di dati sugli occhiali con risoluzioni video di almeno 8K in stereo richiede capacità di trasporto di diverse centinaia di gigabit al secondo insieme a tempi di transito del segnale di un decimo di millisecondo, al fine di permettere reazioni naturali in tempo reale. Il 5G non è progettato per tali prestazioni. La predisposizione intelligente di potenza di calcolo per i vari servizi 6G sulla base dell'intelligenza artificiale (IA) rappresenterà un altro compito per la rete. L'IA, infatti, sarà onnipresente nella rete 6G.

I KPI tecnici del 6G

Viste le applicazioni impegnative che il 6G dovrà affrontare, tutti i parametri importanti delle prestazioni della rete radio devono essere migliorati di pari passo. Per il 6G sono in discussione i seguenti indicatori chiave di prestazione (KPI); le cifre corrispondenti del 5G sono mostrate ai fini di un confronto:

Pioniere del dominio verticale

Fornire una copertura su grandi aree è un tema comune nel mondo delle comunicazioni wireless. Nella 6G, tuttavia, le macchie bianche sulla carta geografica non dovrebbero essere più un problema. Al contrario: le comunicazioni wireless ad alte prestazioni di supporto all'esperienza immersiva copriranno l'intera superficie terrestre, compresa la campagna e le zone fuori dalle aree residenziali, nonché la terza dimensione. Questa visione comprende anche il mondo sottomarino. Ovunque esistano esseri umani e macchine, essi dovrebbero essere accessibili tramite comunicazioni wireless veloci. Questo richiede non solo nuove tecnologie come la trasmissione del segnale ottico sott'acqua, dove le onde radio vengono assorbite, ma anche una vasta infrastruttura in superficie. Ciò potrebbe includere, ad esempio, flotte di satelliti e piattaforme volanti come dirigibili e droni.

Il vero Internet delle cose

L'Internet delle cose esiste concettualmente già da un bel po' di tempo. Ora sta gradualmente prendendo forma anche nel mondo reale. Soprattutto nell'industria e nei trasporti, la sua crescita dovrebbe essere accelerata dal 5G. Anche le applicazioni della casa intelligente e della città intelligente daranno il loro contributo. Tuttavia, anche a quel punto sarebbe ancora troppo presto per parlare di connettività onnicomprensiva. Questo fa parte della visione del 6G. Sulla base della sua configurazione tecnica e della sua capacità, il 6G dovrebbe essere in grado di integrare un numero arbitrario di dispositivi in ogni categoria immaginabile. Tutto ciò con cui desideriamo avere un contatto o che svolge un determinato ruolo nella nostra vita, compresi i contesti privati, commerciali e pubblici, è un potenziale candidato alla connettività. Prendiamo, per esempio, i ponti e le autostrade. In che condizioni sono attualmente? Quando devono essere riparati e in che punti? Sensori radio incorporati in tali strutture potrebbero fornire le informazioni pertinenti. I tag per RFID comunemente utilizzati nella vendita al dettaglio e nella logistica possono essere letti solo da una breve distanza. Dotati di sensori speciali e di una portata maggiore, tuttavia, potrebbero essere utilizzati per monitorare la qualità dei prodotti alimentari e inviare, ad esempio, rapporti pertinenti.

L'ultimo esempio interessa contemporaneamente più aree di ricerca attuali. Se un piccolo oggetto mobile viene monitorato per poter essere tolto dalla circolazione laddove le circostanze lo richiedessero, è necessario conoscere la sua posizione esatta. Molte altre applicazioni richiedono anche informazioni sull'ubicazione del partner delle comunicazioni, dal momento che i servizi 6G saranno forniti generalmente su base locale. Per ragioni tecniche, il 6G utilizzerà fasci radio direzionali altamente focalizzati al fine di indirizzare l'energia radio verso stazioni remote specifiche. Una rete 6G comprenderà quindi una rete radio e una rete di sensori in grado di determinare la posizione degli utenti radio con una precisione dell'ordine dei centimetri nello spazio 3D. Le tecniche da utilizzare a tale scopo sono ancora in fase di studio, e tra le possibilità al vaglio rientra anche la tecnologia radar nei punti di accesso.

Un altro problema legato al dispiegamento di massa dei sensori radio riguarda il modo in cui essi vengono riforniti di energia. L'enorme quantità di questi dispositivi e il grado di miniaturizzazione rendono lo scambio delle celle di alimentazione impraticabile. Tuttavia, essendo molte applicazioni concepite per l'impiego a lungo termine, in alcuni casi per molti anni, i sensori devono poter provvedere autonomamente alla propria alimentazione. Parole d'ordine rilevanti in questo contesto sono i dispositivi a energia zero e il recupero di energia. I moderni sensori RFID sono progettati per funzionare in questo modo, ma vengono riforniti direttamente di energia elettromagnetica da un dispositivo di lettura vicino. I sensori 6G dovranno fare a meno di questa comodità e ricevere l'alimentazione da fonti locali adeguate come il calore, la luce o il movimento. Come molti altri argomenti riguardanti il 6G, la ricerca in questo settore è ancora allo stato embrionale. Tuttavia, la strumentazione di misura e collaudo di Rohde & Schwarz ci sta già aiutando a comprendere i modelli di consumo energetico dei dispositivi, rendendone possibile la progettazione per il basso consumo.

Il 6G non sarà solo una base inesauribile per l'Internet delle cose, ma anche un nuovo tipo di Internet. Così come ci piace chiamare l'Internet convenzionale una rete di reti (di computer), sarà possibile descrivere il 6G come una rete di reti radio. La struttura monolitica delle reti wireless di oggi lascerà il posto ad uno scenario di rete eterogeneo in costante cambiamento ("rete organica"). Saranno interconnesse, in questo modo, sottoreti commerciali, private e pubbliche di tutte le dimensioni, che vanno dalle macro-celle oggi esistenti che forniscono una copertura su un intero chilometro quadrato - alle "Atto celle" e "Zepto celle" con copertura per una singola stanza o automobile.

Per permettere di automatizzare il processo di aggancio di una rete alla struttura generale, si desidera virtualizzare il maggior numero possibile di funzioni di rete. Ciò comporta dover descrivere le funzioni in modo puramente astratto, un approccio tentato per la prima volta, in una certa misura, nel 5G. I blocchi funzione della rete devono fornire un supporto multivendor per questo linguaggio astratto e interpretarlo in conformità con lo standard. Rohde & Schwarz fa parte dell'Alleanza O-RAN, che è impegnata a promuovere la standardizzazione e l'interoperabilità in questo settore. Come già avvenuto con le generazioni precedenti, la standardizzazione della tecnologia 6G su scala mondiale è molto importante.

Dove tutto è "ultra"

Mentre abbozzano i loro scenari 6G, i visionari della tecnologia rifiutano di accettare qualsiasi limite alla loro immaginazione. L'unico limite è il cielo. Mentre il 5G si è accontentato di tre soli gruppi di applicazioni (eMBB, mMTC e URLLC), la visione 6G coinvolge più gruppi, e anche combinazioni di gruppi. Nell'assegnare nomi alle loro creazioni, gli esperti si divertono a usare i superlativi. Una regola semplice da essi seguita è far precedere tutte le caratteristiche prestazionali dal termine "ultra". Poiché la nomenclatura continua ad evolversi e la standardizzazione rimane un compito futuro, si possono trovare articoli tecnici con termini come banda larga ultra mobile ulteriormente potenziata (feUMBB), comunicazioni a bassa latenza a rilevamento ultra elevato (uHSLLC), servizi dati a densità ultra elevata (uHDD), efficienza energetica ultra elevata (uHEE), affidabilità e rilevamento ultra elevati (uHRS), affidabilità ed esperienza utente ultra elevate (uHRUx), affidabilità e sicurezza latenza ultra basse (uLLRS) e così via.

Una domanda che viene ovvio porsi è se il mondo fantascientifico che abbiamo qui descritto sia davvero così vicino alla realizzazione come i suoi architetti vorrebbero suggerire. Molto dipenderà dal fatto che i ricercatori riescano o meno a raggiungere i loro obiettivi nei tempi previsti, in modo che i prodotti di serie possano essere fabbricati. Considerando l'interesse mondiale per questa tecnologia chiave che si prevede nei prossimi decenni, nonché i significativi fondi finanziari disponibili - per non parlare delle dimensioni del mercato o della rilevanza politica - sembra esserci, per il 6G, un grande impegno ed entusiasmo.

La gara è iniziata

Quando, solo pochi anni fa, iniziarono le prime discussioni sul 6G, il mondo industriale, quello politico e gli istituti di ricerca si sono subito messi all'opera. In tutto il mondo sono state fondate iniziative di ricerca, create alleanze e sono stati concessi aiuti finanziari. I responsabili politici hanno compreso che la capacità di competere, per non parlare della prosperità economica di interi paesi, può risiedere potenzialmente in un'equa partecipazione al sistema 6G. Evitare uno stato di dipendenza è, quindi, una considerazione chiave. Il Giappone e gli Stati Uniti, ad esempio, hanno concordato ai massimi livelli di investire congiuntamente 4,5 miliardi di dollari nella ricerca sul 6G.

Per tale standard, l'Europa ha lanciato un progetto di riferimento noto come Hexa-X, a cui partecipano organizzazioni di nove paesi differenti. Oltre a ciò, il Ministero Federale tedesco dell'Istruzione e della Ricerca sta fornendo finanziamenti per un importo di 700 milioni di Euro fino al 2025. Di questi, 250 milioni andranno presto a quattro centri di ricerca nazionali che hanno già presentato le loro richieste di finanziamento per programmi a cui partecipa anche Rohde & Schwarz. La Corea del Sud sta perseguendo un piano ambizioso che comprende prove iniziali sul campo nell'anno 2026. Fino ad allora, il paese prevede di investire nel settore circa 195 milioni di dollari. E la Cina? Naturalmente, la Cina non ha alcuna intenzione di rinunciare alla forte posizione che ha raggiunto con il 5G essendo arrivata un'altra generazione di tecnologia. Il Ministero della Scienza e della Tecnologia cinese sta lavorando con altri ministeri e agenzie governative per coordinare le risorse nazionali necessarie per rendere disponibile il 6G per la distribuzione il più rapidamente possibile.

Fin dall'inizio dell'era delle comunicazioni digitali wireless, Rohde & Schwarz è stata un partner stretto dell'industria e un fornitore leader di apparecchiature di misura e collaudo. I prodotti e le competenze dell'azienda sono già in uso oggi in vari progetti di ricerca 6G. L'attrezzatura di misura necessaria per il 6G viene messa gradualmente a disposizione.