Il termine 5G (acronimo di 5th Generation) racchiude l'insieme di tecnologie di telefonia mobile e cellulare, i cui standard definiscono la quinta generazione della telefonia mobile con una significativa evoluzione rispetto alla tecnologia 4G/IMT-Advanced. La sua distribuzione globale si è avviata nel 2019.
Caratteristiche generali La tecnologia 5G si pone come obiettivo di ottenere una maggiore efficienza e versatilità nel supporto delle applicazioni di rete tramite:
l'ottimizzazione dell'uso delle risorse di rete mediante la definizione di sottoreti virtuali indipendenti per ogni tipologia del servizio (slicing) la virtualizzazione di gran parte dei dispositivi di rete e una gestione dinamica della banda disponibile tramite sistemi automatizzati di tipo SDN la capacità di gestire una maggiore quantità di dispositivi per unità di superficie (circa 1 milione di dispositivi per km² contro i mille-centomila per km² della 4G) il supporto di caratteristiche più spinte in termini di latenza per garantire tempi di risposta in "tempo reale", necessari per applicazioni critiche una maggiore velocità di trasmissione dei dati, teoricamente fino a 10 gigabit al secondo (Gbit/s) una significativa riduzione del consumo energetico (90% in meno rispetto alla 4G per ogni bit trasmesso).
Con queste caratteristiche, si prevede che le reti 5G, oltre al supporto della telefonia mobile, saranno utilizzate principalmente come internet service provider generali, in concorrenza con gli ISP esistenti che forniscono servizi su rete fissa, e renderanno possibili nuove applicazioni nell'Internet delle cose (IoT) e nelle aree machine to machine.
Come i suoi predecessori, la rete 5G è una rete cellulare di tipo digitale, in cui la zona coperta dal servizio è suddivisa in piccole aree geografiche denominate celle. Tutti i dispositivi 5G all'interno di una cella ricevono e trasmettono il segnale via radio all'antenna locale, che a sua volta è collegata alla rete telefonica e a Internet tramite fibra ottica ad alta capacità o via ponte radio attraverso la rete di backhaul. Come in tutte le reti cellulari, i dispositivi mobili che si spostano da una cella all'altra vengono presi in carico automaticamente e in modo trasparente dalla nuova cella senza perdere il collegamento.
Possono usufruire della rete 5G solo i dispositivi appositamente progettati per essa (cellulari, tablet e in generale dispositivi mobili o wireless in grado di collegarsi direttamente alla rete). I nuovi dispositivi 5G funzionano anche come terminali 4G LTE, dato che le nuove reti almeno nella fase iniziale usano la 4G per stabilire la connessione alla cella, nonché per poter operare nelle zone in cui non è disponibile la copertura della rete 5G.
L'aumento della velocità di trasferimento dei dati si ottiene in parte utilizzando frequenze radio più elevate rispetto a quelle delle reti cellulari attuali. Tuttavia, a frequenze radio più elevate corrisponde anche un raggio di portata più ridotto, il che comporta celle più piccole. Per assicurare un servizio ampio, le reti 5G utilizzano tre bande di frequenza: bassa, media e alta e di conseguenza una rete 5G sarà composta da tre tipi di celle differenti, a seconda della banda di frequenza associata, ognuna con un proprio tipo di antenna e un diverso rapporto tra velocità di trasmissione e distanza e area di copertura. I terminali 5G si collegano alla rete usando l'antenna a velocità più alta disponibile in loco: Le celle in banda bassa trasmettono sulla gamma di frequenze compresa tra 694 e 790 MHz, finora utilizzate per le trasmissioni televisive sui canali UHF 49-60, con velocità di trasferimento comprese tra 30 e 250 megabit al secondo (Mbit/s); a queste frequenze la portata e l'area di copertura delle celle radio è simile a quelle 4G operanti a 800 MHz. Le celle in banda media impiegano microonde a 2,5-3,7 GHz, che al momento consentono velocità di 100-900 Mbit/s e una dimensione della cella del raggio di alcuni chilometri. Questo è il livello di servizio più diffuso e dovrebbe essere disponibile nella maggior parte delle aree metropolitane nel 2020. Alcuni paesi non stanno implementando le celle di banda bassa, partendo quindi da questo livello di servizio come quello minimo. Le celle in banda alta utilizzano frequenze a 25–39 GHz, prossime alla banda delle onde millimetriche e non è escluso che in futuro possano essere utilizzate frequenze più elevate. A queste frequenze si possono raggiungere velocità di trasferimento di 1 gigabit al secondo (Gbit/s), paragonabili a quelle della trasmissione su fibra ottica. Tuttavia, le onde millimetriche (mmWave o mmW) hanno una portata ancor più limitata e richiedono molte celle di piccole dimensioni; inoltre vengono ostacolate da alcuni tipi di muri e finestre. A causa dei loro costi più elevati, i piani attuali prevedono di distribuire queste celle solo in ambienti urbani densamente popolati e nelle aree in cui si riuniscono folle di persone come stadi sportivi e centri congressi. Le velocità riportate sono quelle raggiunte nei test effettivi nel 2020 e si prevede che aumenteranno durante il lancio.
Il consorzio industriale che definisce gli standard per la tecnologia 5G è il Third Generation Partnership Project (3GPP) secondo il quale è classificabile come "5G" un qualsiasi sistema che utilizza il software 5G NR (5G New Radio), definizione entrata in uso a marzo 2019 con la pubblicazione della Release 15 delle specifiche. Gli standard tecnici sono recepiti e formalizzati anche dall'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU), in particolare dall'ITU-R e saranno consolidati nel documento Detailed specifications of the radio interfaces of IMT-2020 la cui pubblicazione finale è prevista per novembre 2020.
Network slicing Il network slicing (concettualmente "partizionamento verticale della rete") è una architettura di rete che consente di definire sulla stessa infrastruttura fisica un insieme di reti logiche e/o virtuali tra di loro indipendenti in grado di funzionare contemporaneamente, a efficienza piena e senza interferenze come se avessero ognuna una rete fisica dedicata. Ogni "fetta" di rete è quindi a tutti gli effetti una rete completa appositamente ritagliata per soddisfare tutti i requisiti di una particolare applicazione.
Questa tecnologia svolge un ruolo centrale per le reti mobili 5G che sono concepite per supportare in modo efficiente un'ampia quantità di servizi con requisiti di livello di servizio (Service Level Requirement, SLR) molto differenti. La realizzazione di questa visione come rete orientata ai servizi si basa sui concetti del software-defined networking (SDN) e della virtualizzazione delle funzioni di rete (Network Functions Virtualization, NFV) che consentono, con un elevato livello di automazione, di implementare e gestire come indipendenti partizioni di rete flessibili e scalabili che si appoggiano sulla stessa infrastruttura fisica comune.
Da un punto di vista del modello di business, ogni partizionamento della rete è amministrato da un operatore virtuale di rete mobile (Mobile Virtual Network Operator, MVNO). Il gestore dell'infrastruttura affitta le sue risorse fisiche agli operatori virtuali che condividono la stessa rete fisica e, a seconda della disponibilità di risorse assegnate, ogni MVNO può a sua volta realizzare le sue "network slice" personalizzate o adattate alle varie applicazioni offerte ai suoi utenti. Questo consente alla rete 5G di poter essere utilizzata a tutti gli effetti come Internet Service Provider su infrastruttura di tipo mobile.
Prestazioni Velocità Le velocità delle reti 5G spaziano da circa 50 Mbit/s fino a oltre 1 Gbit/s. La versione di 5G più veloce su onde millimetriche, nota come mmWave, a luglio 2019 sulla rete 5G di AT&T ha raggiunto la velocità massima di 1,8 Gbit/s.
Nelle frequenze inferiori ai 6 GHz (5G in banda media), di gran lunga le più comuni, si raggiungono normalmente velocità comprese tra i 100 e 400 Mbit/s ma con una portata molto maggiore rispetto alle mmWave, soprattutto all'aperto.
La 5G in banda bassa consente le coperture maggiori ma è anche la più lenta.
La velocità 5G New Radio (NR) in banda media è leggermente superiore rispetto alla 4G con un impiego analogo di spettro e antenne ma alcune reti 5G 3GPP sono più lente rispetto ad alcune reti 4G di tipo avanzato, come le rete LTE/LAA di T-Mobile, che a Manhattan e a Chicago è in grado di raggiungere e superare i 500 Mbit/s. Le specifiche 5G ammettono anche LAA (License Assisted Access) il cui impiego con tale tecnologia però non è stato ancora dimostrato. Per le reti 4G, il ricorso a LAA consente di aggiungere centinaia di Mbit/s ma si tratta sempre di un'estensione della 4G e non una parte nuova dello standard 5G.
La similarità tra 4G e 5G in termini di throughput nelle bande di frequenza esistenti deriva dal fatto che in termini di velocità di trasferimento dati la 4G è già prossima al limite di Shannon. Nella meno diffusa banda millimetrica, caratterizzata da larghezza di banda molto maggiore e portata ridotta che consente anche un maggior riutilizzo delle frequenze, le velocità della rete 5G sono sostanzialmente più elevate.
Latenza Nelle reti 5G, la "latenza in aria" degli apparati messi in campo nel 2019 è di 8–12 millisecondi ma per la maggior parte dei confronti a tale latenza va sommato il tempo di trasmissione necessario per raggiungere il server. Per le sue prime installazioni 5G, Verizon riporta una latenza di 30 ms; server edge posizionati in prossimità delle torri possono ridurre la latenza a 10–20 ms mentre valori di 1–4 ms, al di fuori delle prove di laboratorio, saranno ancora rari per qualche anno.
Ambiti applicativi L'ITU-R ha definito tre aree applicative principali per le capacità più avanzate delle reti 5G: telefonia mobile avanzata a banda larga (Enhanced Mobile Broadband, eMBB), comunicazioni ultra-affidabili a bassa latenza (Ultra-Reliable Low-Latency Communications, URLLC) e comunicazioni macchina-macchina massive (Massive Machine-Type Communications, mMTC). Al 2020, solo l'eMBB è in fase di installazione e messa in servizio; nella maggior parte dei casi, per URLLC e mMTC saranno necessari ancora alcuni anni.
L'Enhanced Mobile Broadband (eMBB) impiega le tecnologie 5G per migliorare i servizi della telefonia mobile 4G LTE con connessioni più veloci, maggior quantità di dati trasmessi e maggiore capacità.
L'Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) si riferisce all'impiego della rete per applicazioni critiche (come ad esempio la telechirurgia) che richiedono uno scambio dati robusto, ininterrotto e con ritardi ridotti al minimo.
Il Massive Machine-Type Communications (mMTC) è l'applicazione che mette in collegamento un numero elevato di dispositivi: si stima che alla tecnologia 5G saranno collegati circa 50 miliardi di dispositivi IoT,, in parte anche nelle smart city, di cui la maggior parte userà il più economico Wi-Fi. I droni, tramite comunicazioni in 4G o 5G, saranno di aiuto in situazioni di emergenza e in caso di disastri, fornendo informazioni in tempo reale ai soccorritori. La maggior parte delle automobili sarà dotata di connessioni cellulari a 4G o 5G per molti servizi, mentre la guida autonoma non richiede la rete 5G dato che deve funzionare anche in assenza di campo. Per quanto riguarda la telechirurgia, mentre alcune operazioni si sono già realizzate tramite rete 5G, nella maggior parte dei casi verrà utilizzata in postazioni dotate di collegamento in fibra, solitamente più veloce e affidabile di qualsiasi connessione wireless.
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