5G in Modo Semplice e Approfondito

5G in Modo Semplice e Approfondito

ISBN: 9781070679600

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Ajit Singh

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Prefazione

La quinta generazione di tecnologie di accesso wireless (5G) si trova di fronte all'arduo compito di soddisfare le costanti richieste di velocità di trasmissione dati e capacità di sistema più elevate, nonché di un'ampia gamma di applicazioni e di requisiti di qualità dell'esperienza (QoE) degli utenti. Sebbene non sia ancora standardizzata, si prevede che la tecnologia 5G offrirà un throughput significativamente più elevato rispetto all'evoluzione a lungo termine (LTE), avrà una latenza nell'ordine dei millisecondi e sarà in grado di accogliere e supportare la prevista esplosione dei dispositivi Internet of Things (IoT). Nuovi tipi di dispositivi (ad esempio sonde, misuratori, sensori, attuatori) contribuiranno in modo significativo all'aumento del traffico e nuovi settori di mercato porteranno nuove priorità (ad esempio le infrastrutture critiche).

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La tempistica provvisoria per la standardizzazione del 5G si aggirava intorno al 2018-2019 (ovvero la release 14 o 15 degli standard 3GPP) con roll-out previsto per il 2020. Si prevede che l'uso della tecnologia a onde millimetriche (mmWave) costituirà una parte significativa delle innovazioni del 5G e, secondo i suoi sostenitori, lo spettro ha il potenziale per avviare nuove attività e casi d'uso una volta che gli enti normativi competenti lo renderanno disponibile. MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output), Software Defined/Cognitive Radios, reti basate su cloud, celle auto-organizzate, comunicazioni da dispositivo a dispositivo sono tra le altre tecnologie che potrebbero essere utilizzate nei sistemi 5G. Per rendere ecologici i sistemi 5G saranno probabilmente impiegati hardware e software innovativi ad alta efficienza energetica.

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Questo libro è una panoramica completa dello stato attuale del 5G. Spiegando tutto, dai casi d'uso più probabili, agli aspetti relativi allo spettro e a un'ampia gamma di opzioni tecnologiche fino alle potenziali architetture di sistema 5G, è un riferimento indispensabile per gli accademici e i professionisti che si occupano di comunicazioni wireless e mobili.

Vengono riassunte le attività di ricerca a livello mondiale e vengono descritte e spiegate le tecnologie dei componenti chiave, tra cui D2D, comunicazioni a onde millimetriche, massive MIMO, multi-point coordinato, codifica delle reti wireless, gestione delle interferenze e problemi di spettro. Viene affrontato il significato del 5G per i settori automobilistico, manifatturiero, energetico, della vendita al dettaglio e della sanità, nonché il rapporto tra IoT, comunicazioni di tipo macchina e sistemi cyber-fisici.

Questo libro fornisce una solida conoscenza dell'evoluzione, dell'architettura, del protocollo dello stack di rete, delle applicazioni e, naturalmente, delle sfide e delle prospettive future del 5G.

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5G in Modo Semplice e Approfondito....

Dedica

A mia madre e mio padre, è impossibile ringraziarvi adeguatamente per tutto quello che avete fatto, dall'amarmi incondizionatamente al crescermi in una famiglia stabile, dove mi avete inculcato i valori tradizionali e insegnato a celebrare e abbracciare la vita.

E a mia moglie, la signora Rajyashree Singh, grazie per il costante sostegno durante la crescita e per la sua continua collaborazione e incoraggiamento.

Un ringraziamento speciale va a mio fratello maggiore Er Ranbir Singh, per avermi dimostrato che tutto è possibile con fede, duro lavoro e determinazione.

Infine, questa dedica non sarebbe completa senza un ringraziamento molto speciale ai miei cari studenti di tutto il mondo che sono saliti a una vita migliore.

Dio vi benedica!

Sul libro

Nel capitolo Tecnologie 5G vengono introdotte la visione e la definizione della tecnologia 5G, nonché diverse tecniche chiave che la rendono possibile.

Questo libro fornisce una panoramica delle caratteristiche principali delle reti mobili di quinta generazione (5G), discutendo le motivazioni del 5G, l'architettura, l'implementazione, il modello di riferimento, le sfide nello sviluppo di questa nuova tecnologia. Questo libro fornisce una panoramica delle aree chiave di ricerca che definiranno questa nuova tecnologia di sistema, aprendo la strada alla ricerca e allo sviluppo futuri. Il libro si propone di coprire il panorama del 5G, tra cui Internet del futuro, il cloud computing, le piccole celle e le reti auto-organizzate (SON), le comunicazioni cooperative e la radio cognitiva, la convergenza Broadcast-Broadband, la sfida della sicurezza del 5G.

Caratteristiche principali:

• Affronta i fondamenti delle reti mobili 5G, fungendo da utile guida di studio per i ricercatori di telefonia mobile e gli ingegneri di sistema che desiderano posizionare la propria ricerca in questa arena in rapida evoluzione.

• Sviluppa la storia delle piccole celle insieme ai sistemi SON (self-organizing networks) di nuova generazione come soluzioni per affrontare la domanda di traffico senza precedenti e le variazioni tra le celle.

• Spiega la tecnologia Mobile Cloud e i servizi per le future piattaforme di comunicazione.

• Discute le questioni aperte che riguardano la diffusione commerciale su larga scala delle reti di spazio bianco, compreso il potenziale per le applicazioni verso il futuro standard 5G.

• Descrive i componenti chiave, le tendenze e le sfide, nonché i requisiti di sistema per i ricetrasmettitori 5G per supportare la radio multistandard, una fonte di ispirazione per gli ingegneri RF.

Questo libro è una guida ideale per gli studenti universitari di Informatica, Tecnologia dell'Informazione, Elettronica e Comunicazione che desiderano acquisire conoscenze sulla tecnologia 5G. Gli studenti che seguono corsi post-laurea in scienze e ingegneria, gli studenti di M.E., M.Tech., M.S., M.Sc., M.C.A. troveranno questo libro utile per i loro progetti relativi alla tecnologia 5G. Gli studiosi che lavorano nell'area della tecnologia 5G, dell'Edge Computing e dell'Internet of Things troveranno questo libro una pratica guida di riferimento per i loro lavori di M.Phil., Ph.D. D.Sc. e altri lavori di ricerca post-dottorato. Gli ingegneri software e hardware che lavorano nel settore IT e ITES, in particolare nei settori della tecnologia 4G/5G e dell'IoT, troveranno questo libro una risorsa utile.

In conclusione, credo che il lettore troverà in questo libro una guida utile e una preziosa fonte di informazioni sui principi della tecnologia 5G.

Spero che questo documento faccia chiarezza sul 5G e sono ansioso di ricevere i vostri feedback e commenti! Io - l'autore - sarei felice di ricevere il vostro feedback e i vostri commenti.

Contenuti

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Capitolo 1 - Introduzione al 5G

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Perchè 5G

Uno dei principali vantaggi della tecnologia 5G rispetto al 4G non sarà la velocità di trasmissione, che potrebbe essere compresa tra 10Gbps e 100Gbps, ma la latenza. Attualmente, il 4G è in grado di fornire una velocità compresa tra 40 e 60 ms, una bassa latenza, ma non sufficiente a fornire una risposta in tempo reale. I giochi multigiocatore, ad esempio, richiedono una latenza inferiore per garantire che quando si preme un pulsante, il server remoto risponda istantaneamente.

Un altro esempio ci è stato fornito da Sutton di EE, il quale ha affermato che la futura bassissima latenza del 5G potrebbe variare da 1 a 10 ms. This would allow, he said, a spectator in a football stadium to watch a live stream of an alternative camera angle of the action that matches the action on the pitch with no perceivable delay.

Anche la capacità è un fattore importante. Con l'Internet delle cose che diventa sempre più importante nel tempo, dove gadget e oggetti utilizzano funzioni intelligenti e connesse che non hanno mai avuto prima, la pressione sulla larghezza di banda continuerà a crescere.

Sarà più adattabile alle esigenze e alle richieste dell'utente e quindi in grado di allocare più o meno larghezza di banda in base all'applicazione.

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Figura 1: Il futuro del 5g (autodisegnato)

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L'Internet delle cose

Secondo le previsioni degli analisti, entro il 2020 ogni persona nel Regno Unito possiederà e utilizzerà 27 dispositivi connessi a Internet. Nel mondo ci saranno 50 miliardi di dispositivi connessi. Queste possono spaziare dalla tecnologia esistente, come smartphone, tablet e orologi intelligenti, a frigoriferi, automobili, occhiali a realtà aumentata e persino vestiti intelligenti. Alcuni di questi richiedono lo spostamento di dati significativi avanti e indietro, mentre altri possono richiedere solo l'invio e la ricezione di piccoli pacchetti di informazioni. Il sistema 5G stesso capirà e riconoscerà questo aspetto e assegnerà la larghezza di banda in modo appropriato, evitando così di sottoporre a inutili sollecitazioni i singoli punti di connessione.

Il lavoro è già iniziato per l'implementazione del 4G, ma diventerà ancora più vitale per il futuro del 5G. Come parte di una rete eterogenea, i punti, o celle, saranno utilizzati per l'LTE-A e la tecnologia sarà aumentata e perfezionata per adattarsi anche al 5G. Le celle dialogano automaticamente con ogni dispositivo per fornire il servizio migliore e più efficiente, indipendentemente da dove si trovi l'utente.

Le celle più grandi saranno utilizzate come oggi, con un'ampia copertura, ma le aree urbane, ad esempio, saranno coperte anche da celle multiple più piccole, installate nei lampioni, sui tetti dei negozi e delle case e persino all'interno dei mattoni dei nuovi edifici. Ognuno di questi elementi garantirà che la connessione sia regolamentata e apparentemente standard su tutta la linea.

Gli algoritmi sapranno anche a che velocità viaggia un dispositivo, in modo da potersi adattare alla cella a cui è collegato. Ad esempio, un'automobile connessa potrebbe richiedere la connessione a una macro-cella, come un grande pilone di rete, per mantenere la connessione senza doverla ristabilire continuamente a distanza, mentre uno smartphone personale può connettersi a celle più piccole con una copertura di area inferiore, in quanto la cella successiva può essere rilevata facilmente e automaticamente in un tempo sufficiente a evitare che l'utente se ne accorga.

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Streaming video 4K

Anche la capacità sarà importante per il futuro dello streaming video. Entro il 2030, EE prevede che il 76% del traffico dati sarà utilizzato per lo streaming video. E gran parte di questi saranno a risoluzione 4K o addirittura 8K.

La velocità di trasmissione dati del 4G è in grado di far fronte a