Perché il 5G è più veloce del 4G?

Scritto Da Nicola Massimo | Jul 14,2021

Perché il 5G è più veloce del 4G? In effetti, l'aggiornamento della tecnologia di comunicazione wireless dopo il 3G consiste nel determinare prima il target e poi procedere con la progettazione del sistema e la selezione della tecnologia in base al target. Pertanto, la vera domanda dovrebbe essere "Cosa rende il 5G più veloce del 4G?"

Questo articolo risponderà a questa domanda dai seguenti due aspetti:

Parte 1: In che modo il 5G aumenta la velocità di trasmissione?

Secondo il teorema di Shannon, il limite superiore della capacità di un collegamento, in bit al secondo (bps), è una funzione della larghezza di banda disponibile e del rapporto segnale/rumore del collegamento. Il teorema può essere enunciato come:

Apple Inc. è una rinomata società tecnologica multinazionale americana fondata da Steve Jobs, Steve Wozniak e Ronald Wayne nell'aprile 1976. Progetta, sviluppa e vende elettronica di consumo, software per computer e servizi online.

C = B * log2(1+ S/N)

dove C è la capacità del canale ottenibile, B è la larghezza di banda della linea, S è la potenza media del segnale e N è la potenza media del rumore.

Il 5G aumenta la velocità di trasmissione dei dati aumentando la "B" e abbassando la "N" nella formula. Nello specifico, include i seguenti tre metodi:

1. Usa le onde millimetriche per aumentare la larghezza di banda.

2. Applica un beamforming più avanzato per migliorare il rapporto segnale-rumore.

3. I MIMO massivi vengono utilizzati per migliorare la larghezza di banda e il rapporto segnale/rumore.

Usa onde millimetriche per aumentare la larghezza di banda

Al momento, lo spettro 300 MHz~3 GHz utilizzato nelle comunicazioni wireless dalla prima alla quarta generazione ha i vantaggi della penetrazione e dell'ampia copertura, ma c'è uno svantaggio molto fatale: la banda di frequenza è troppo stretta e ci sono molti dispositivi wireless in questa banda di frequenza. L'allocazione dello spettro sta per esaurirsi. Per trasmettere dati ad alta capacità e ad alta velocità, l'unico spettro disponibile può essere trovato su 3 GHz.

Banda di frequenza di comunicazione 5g

La banda di frequenza di assorbimento dell'ossigeno e la banda di frequenza di assorbimento del vapore acqueo nello spettro delle onde millimetriche (3 ~ 300 GHz) non possono essere utilizzate per la comunicazione. Pertanto, la banda di frequenza delle onde millimetriche ha una larghezza di banda totale di 252 GHz. In effetti, la banda di frequenza delle onde millimetriche assegnata alle reti di comunicazione 5G nello spettro di vari paesi è di circa 3~6 GHz. Ma questo è sufficiente per aumentare la velocità di trasmissione dei dati di oltre 10 volte. (Al contrario, le reti di comunicazione da 1G a 4G sono tutte affollate nello spettro di frequenza inferiore a 3 GHz).

Beamforming più avanzato

Le antenne della stazione base delle reti 4G sono principalmente antenne omnidirezionali. Ma questa non è una buona scelta per il 5G. In effetti, le reti 5G sono gravemente colpite da condizioni meteorologiche complesse a causa della copertura ridotta delle onde millimetriche del 5G e dell'ampia perdita di percorso. Pertanto, il design del raggio deve essere migliorato per concentrare l'energia trasmessa per aumentare la qualità dei segnali ricevuti. Infatti, il raggio direzionale dopo il beamforming può aiutare a migliorare la copertura della stazione base e l'energia del segnale della stazione base è più efficace.

5g beamforming

In effetti, il beamforming in 5G deve anche risolvere i problemi dell'enorme MIMO e del tracciamento degli utenti a raggio stretto a onde millimetriche, della pianificazione della commutazione del raggio tra le celle e dei problemi LOS e NLOS della stazione base. Questa è anche una grande direzione di ricerca sulla comunicazione wireless. Molte persone nel mondo accademico stanno ora considerando di dividere i settori all'interno della copertura delle stazioni base per aiutare la commutazione del raggio multi-antenna.

Antenna settorizzata

MIMO massiccio

Il sistema multi-antenna nella comunicazione wireless deve assegnare pesi a ciascuna antenna al fine di migliorare la diversità spaziale e/o il guadagno del multiplexing. In realtà, questo algoritmo è non lineare e computazionalmente complesso. Più antenne, più è complesso.

Ma ciò che sorprende è che quando il numero di antenne è molto, molto grande, la semplice precodifica lineare può avvicinarsi molto bene al risultato ottimale. Quindi il MIMO Massiccio ha attirato molta attenzione da quando è stato proposto.

I MIMO massicci del 5G possono avere un gran numero di applicazioni, non solo grandi stazioni base macro, ma anche piccoli trasmettitori a onde millimetriche possono essere dotati di sistemi Massive MIMO. Poiché le antenne a onde millimetriche hanno fasci stretti e lunghezze dell'antenna corte, sono più adatte per applicazioni MIMO Massive.

Tornando all'argomento, il vantaggio di Massive MIMO è massimizzare l'uso delle risorse dello spazio aereo. Può fornire più raggi che servono gli utenti di celle contemporaneamente attraverso il beamforming e può simultaneamente aumentare il rapporto segnale-rumore dell'utente e aumentare la velocità di trasmissione dei dati.

MIMO massiccio

Parte 2: In che modo il 5G riduce il ritardo di trasmissione?

La latenza di cui stiamo parlando qui è la latenza di andata e ritorno, che probabilmente può essere intesa come il tempo totale necessario ai dati per viaggiare tra la rete di accesso e la rete principale. Poiché la velocità di propagazione della radio è relativamente fissa e non può essere compressa, ci sono due modi per ridurla: ridurre la perdita di segnale e comprimere l'elaborazione della rete. Il modo per ridurre la perdita di segnalazione è ridurre al minimo la segnalazione non necessaria, come ad esempio

  • Riduci i tempi di stima del canale grazie alla tecnologia full-duplex,
  • Ridurre il prefisso CP del segnale OFDM e comprimere la lunghezza del frame OFDM.
  • Progetta stazioni base a onde millimetriche tramite griglie per ridurre interferenze e ritardi

Rete di compressione

Comprimere l'elaborazione della rete e la comprensione delle immagini significa appiattire la gerarchia aziendale e decentralizzare il potere decisionale. In questo modo, il numero di "segnalazioni" è inferiore e le spese inutili nella rete saranno notevolmente ridotte. Questo è menzionato anche da altri intervistati.

Rete di compressione

Il modo standard per comprimere la rete centrale è "non passare attraverso unità di elaborazione non necessarie", in altre parole, la struttura di controllo è separata dalla struttura di trasmissione dei dati. Ovviamente ci sono molte altre soluzioni.

Un modo migliore per comprimere la struttura di rete è il "fog computing", molto popolare nel mondo accademico, che consiste nel decentralizzare alcune attività di elaborazione ripetitive e utilizzare terminali di accesso wireless (stazioni base, ecc.) come unità di elaborazione del calcolo. Questo può essere utilizzato come "cache di elaborazione" alternativa, che riduce notevolmente la latenza di rete.

L'altro è molto ortodosso, e ovviamente una direzione di ricerca molto calda "caching wireless" caching wireless. Questa idea è quella di memorizzare nella cache il contenuto per ridurre il ritardo di trasmissione.

Calcolo della nebbia

Fog computing Questi sono i progressi della parte del ritardo nel 5G, principalmente la tecnologia del livello MAC, che probabilmente parla di come pianificare efficacemente le risorse e come ridurre il ritardo. Esistono molti altri indicatori diversi nel 5G, come "riduzione del consumo di energia", "miglioramento della qualità del servizio utente" e "aumento della capacità delle celle". Ogni frase è un argomento molto grande. Ci sono molti istituti di ricerca dietro di esso. L'università ha fatto un ottimo lavoro e ci sono molte persone che studiano in ognuna di queste piccole aree, ma poiché non ha nulla a che fare con il problema, non lo presenterò in dettaglio.

Calcolo della nebbia

Pertanto, puoi anche vedere che il 5G è il risultato dell'operazione congiunta dell'industria delle comunicazioni e del mondo accademico. L'organizzazione degli standard (industria) propone indicatori, seleziona le tecnologie appropriate e guida le direzioni tecniche, e gli istituti di ricerca e le università propongono soluzioni per migliorare il percorso tecnico.

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Nicola Massimo

staff Editore

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