La rete sub-6GHz è ormai completamente implementata, perché la Cina continua a sviluppare il 5G a onde millimetriche?

Le bande di frequenza globali della rete 5G sono principalmente suddivise in banda di frequenza sub-6GHz e banda di frequenza a onde millimetriche (mmWave). La rete 5G a onde millimetriche e la rete sub-6GHz non sono in un rapporto antagonistico in cui "si può scegliere solo una delle due", ma in un rapporto complementare in cui "si possono avere entrambe le cose". La scelta di ciascun Paese su quale percorso tecnologico intraprendere per primo si basa principalmente sulle proprie condizioni nazionali. Dopo che la costruzione della rete 5G sub-6GHz in Cina sarà giunta a maturazione, anche la costruzione delle reti 5G a onde millimetriche è stata inserita nell'agenda.

Nel marzo 2020, il Ministero dell'Industria e dell'Informatica ha pubblicato l'"Avviso sulla promozione dello sviluppo accelerato del 5G". L'avviso specificava chiaramente che "il piano di utilizzo delle frequenze per alcune bande a onde millimetriche del 5G sarà pubblicato tempestivamente e saranno organizzati test di prestazione e apparecchiature a onde millimetriche per preparare l'uso commerciale della tecnologia a onde millimetriche del 5G". Il 30 aprile 2021, il Ministero dell'Industria e dell'Informatica ha pubblicato la bozza per commenti del "Piano d'azione 'Sail' per l'applicazione del 5G (2021-2023)" (di seguito denominata "Bozza"). La Bozza propone che entro il 2023 il tasso di penetrazione degli utenti individuali del 5G nel mio Paese superi il 40% e il numero di utenti superi i 560 milioni. Allo stesso tempo, la bozza di commenti propone che "il piano di frequenza a onde millimetriche del 5G sarà pubblicato tempestivamente e che verrà valutato un sistema di gara per le licenze di frequenza a onde millimetriche del 5G". Ciò significa anche che, una volta completata l'implementazione della rete 5G Sub-6GHz in Cina, inizierà la costruzione della rete 5G a onde millimetriche. Inoltre, Tian Yulong, ingegnere capo del Ministero dell'Industria e dell'Informatica, ha sottolineato in una conferenza stampa dell'Ufficio Informazioni del Consiglio di Stato a marzo, parlando della promozione di uno sviluppo di alta qualità del settore dell'informatica e delle comunicazioni, che "la costruzione della rete 5G sarà promossa in modo ordinato e la realizzazione della rete 6G sarà accelerata".

Le tecnologie 5G a onde millimetriche e Sub-6GHz sono complementari.

Le onde millimetriche si riferiscono a onde elettromagnetiche con lunghezze d'onda da 1 mm a 10 mm e frequenze da 30 GHz a 300 GHz. Nel campo delle comunicazioni mobili, le onde elettromagnetiche comprese tra 24 GHz e 100 GHz sono generalmente chiamate onde millimetriche.

The 2019 World Radiocommunication Conference (WRC-19) of the International Telecommunication Union (ITU) has determined that the millimeter wave frequency bands between 24GHz and 86GHz will be used for International Mobile Communications (IMT). Among them, the 24.25-27.5GHz, 37-43.5GHz and 66-71GHz frequency bands are the globally integrated IMT frequency bands.

Compared with the 5G system of Sub-6GHz (frequency band below 6GHz), 5G millimeter wave communication has ultra-large bandwidth ranging from 24GHz to 100GHz, which gives it unique advantages such as higher speed, lower latency and flexible and elastic air interface configuration. It can effectively meet the needs of future wireless communication for system capacity, transmission rate and differentiated applications.

Ad esempio, in termini di velocità di trasmissione, l'ultima analisi di Ookla, basata su una grande quantità di dati misurati dalla sua applicazione Speedtest, mostra che la banda di frequenza a onde millimetriche 5G può raggiungere velocità 16 volte superiori rispetto alla banda di frequenza Sub-6GHz.

In secondo luogo, il 5G utilizza le due dimensioni delle sottoportanti e degli intervalli di tempo per trasmettere i dati. Le onde millimetriche sono caratterizzate da un'elevata larghezza di banda, ampi intervalli tra le sottoportanti e intervalli di tempo corrispondenti ridotti. Questo fa sì che il ritardo delle onde millimetriche del 5G sia solo circa il 25% di quello della banda di frequenza Sub-6GHz. Analogamente, poiché le onde millimetriche dispongono di una maggiore larghezza di banda disponibile e di velocità di trasmissione più elevate, possono anche fornire una maggiore capacità per soddisfare una gamma più ampia di accessi terminali.

Inoltre, la maggiore velocità di downlink delle onde millimetriche 5G supporta il multiplexing spaziale denso riducendo al contempo le interferenze, risolvendo così in modo più efficace il problema della congestione derivante dall'elevato numero di utenti che accedono a Internet contemporaneamente nella stessa area. È particolarmente adatto per applicazioni in ambienti densamente popolati come stazioni, aeroporti e stadi.

In related industry application fields, such as ultra-high-definition video live broadcast, security monitoring, telemedicine and some industrial applications, where there are high requirements for upload speed and low latency, 5G millimeter wave large uplink and lower latency characteristics can better meet these needs.

È opportuno sottolineare in particolare che la rete 5G a onde millimetriche può realizzare un backhaul autonomo senza ricorrere alla connessione tra la rete in fibra ottica e la rete centrale. Le reti 5G basate sulla banda Sub-6GHz necessitano ancora di soluzioni di backhaul tradizionali in fibra ottica, ovvero ogni stazione base 5G deve essere connessa alla rete centrale tramite fibra ottica, il che aumenta anche i costi di implementazione. La tecnologia IAB (Integrated Access and Backhaul) a onde millimetriche del 5G consente alle stazioni base 5G a onde millimetriche di utilizzare altre stazioni base 5G a onde millimetriche come nodi di inoltro e, in definitiva, di effettuare il backhaul verso la rete centrale tramite trasmissione wireless attraverso funzioni multi-hop, con un notevole risparmio sui costi di implementazione. Ciò consente inoltre alle stazioni base 5G a onde millimetriche di supportare un'implementazione più densa ed economicamente vantaggiosa.

In addition, millimeter wave technology can also be used in 5G vehicle-to-everything (V2X) to provide positioning services that far exceed the accuracy of GPS and LTE (accuracy can reach sub-meter level).

Ma Hongbing, direttore generale del dipartimento di innovazione tecnologica di China Unicom, ha dichiarato: "Combinando le onde millimetriche 5G con le tecnologie MEC e di intelligenza artificiale, le onde millimetriche possono fornire servizi di rete privata personalizzati per i clienti target e possono essere ampiamente utilizzate in scenari come fabbriche intelligenti, parchi intelligenti e terminali intelligenti."

Sebbene le onde millimetriche offrano vantaggi in termini di velocità e ritardo rispetto alla banda di frequenza sub-6GHz, presentano anche delle limitazioni. Ad esempio, i segnali si attenuano facilmente, hanno una scarsa penetrazione e vengono facilmente bloccati. Sebbene esistano attualmente tecnologie come il beamforming e il beam tracking in grado di risolvere efficacemente questi problemi, la banda di frequenza sub-6GHz continua a offrire vantaggi significativi in ​​termini di copertura e costi di implementazione.

In definitiva, la rete 5G a onde millimetriche e la rete Sub-6GHz non sono in competizione né si sostituiscono a vicenda, ma si completano a vicenda. L'utilizzo della banda Sub-6GHz consente di ottenere un'ampia copertura 5G, mentre i sistemi a onde millimetriche permettono di raggiungere la copertura in luoghi chiusi (eventi sportivi, concerti, grandi conferenze), snodi di trasporto (stazioni della metropolitana, stazioni ferroviarie ad alta velocità) e aree uffici, oltre a fornire copertura hotspot all'aperto, accesso a banda larga wireless, ecc. L'implementazione coordinata delle onde millimetriche e della banda Sub-6GHz consente di ottenere una combinazione ottimale di elevata capacità e ampia copertura.

I preparativi preliminari per l'implementazione della rete 5G a onde millimetriche in Cina sono già iniziati e stanno procedendo senza intoppi.

If the Sub-6GHz network solves the 5G coverage problem, then the 5G millimeter wave network can maximize the advantages of 5G, thereby releasing greater value.

Meng Pu, presidente di Qualcomm China, ha inoltre affermato: "Per raggiungere gli obiettivi di progettazione originali del 5G, è necessario utilizzare tutte le risorse dello spettro. Le bande di frequenza medio-basse del Sub-6GHz possono raggiungere un equilibrio tra copertura, capacità e prestazioni, mentre le onde millimetriche ad alta frequenza superiori a 24GHz possono supportare le massime prestazioni e capacità del 5G, offrendo un'esperienza di connessione wireless di nuova generazione a molti scenari e settori, e comunicazioni mobili ultra-affidabili e a bassa latenza a settori verticali come l'Internet industriale."

Secondo il "Libro bianco sulla tecnologia 5G a onde millimetriche" pubblicato dalla GSMA nel settembre dello scorso anno, si prevede che il 5G a onde millimetriche contribuirà con 565 miliardi di dollari al PIL globale entro il 2035. Di questi, i benefici economici derivanti direttamente dall'utilizzo delle bande di frequenza 5G a onde millimetriche in Cina raggiungeranno circa 104 miliardi di dollari entro il 2034.

Attualmente, Stati Uniti, Giappone, Europa e Sud-est asiatico hanno tutti avviato implementazioni del 5G a onde millimetriche. Secondo i dati pubblicati dalla GSA a marzo di quest'anno, oltre 150 operatori in tutto il mondo stanno investendo nella tecnologia 5G a onde millimetriche.

According to the 5G millimeter wave test plan of the China IMT-2020 (5G) Promotion Group, millimeter wave testing has begun in 2019 to verify the key technologies and system characteristics of 5G millimeter wave. Starting in 2020, the functions, performance and interoperability of millimeter wave base stations and terminals will be further verified, and high and low frequency collaborative networking verification will be carried out. At the same time, the China IMT-2020 (5G) Promotion Group also carried out typical scenario verification in a timely manner.

Nell'ottobre 2019, sotto l'egida del gruppo di promozione IMT-2020 (5G), ZTE e Qualcomm hanno completato il primo test di interoperabilità a onde millimetriche (IoDT) per smartphone 5G in Cina. Due mesi dopo la definizione del nuovo metodo di test MIMO OTA a onde millimetriche nella versione 3GPP Rel-16, rilasciata all'inizio di luglio 2020, alla fine di settembre, sempre sotto l'egida del gruppo di promozione IMT-2020 (5G), Qualcomm ha assunto un ruolo di primo piano nel completamento del test delle prestazioni a onde millimetriche basato sul metodo di test MIMO OTA 3GPP Rel-16 presso il laboratorio MTNet dell'Accademia di Tecnologia dell'Informazione e delle Comunicazioni. A questo punto, Qualcomm è diventata il primo produttore di chip in Cina a partecipare e superare tutti e dieci i test di radiofrequenza a onde millimetriche 5G a 26 GHz.

While millimeter wave testing work is progressing in an orderly manner, the characteristics of chip products are also constantly optimized to meet China's millimeter wave deployment needs. On May 19, 2021, Qualcomm announced that it would launch upgraded features and functions specifically for the Snapdragon X65, the world's first 10Gbps 5G modem and radio frequency system released in February: it supports millimeter wave 200MHz bandwidth and millimeter wave SA mode, thereby meeting the key requirements for China's millimeter wave network deployment.

In view of the industry application scenarios where millimeter waves will show their talents, upstream and downstream manufacturers in China's millimeter wave industry are making efforts. On May 21, 2021, under the technical guidance of the IMT-2020 (5G) Promotion Group and China Unicom, ZTE, China Unicom, Qualcomm and TVU Networks successfully completed the world's first 5G millimeter wave 8K video backhaul service demonstration based on the large uplink frame structure on the 26GHz (n258) frequency band in a laboratory environment.

In this demonstration, ZTE provided a 5G millimeter wave base station. TVU Networks' 5G multi-network aggregation router provided a 5G millimeter wave connection through a CPE-type test terminal equipped with Qualcomm Snapdragon X55 5G modem and RF system and Qualcomm QTM527 millimeter wave antenna module. The real-time collected 8K video content was stably returned through the 5G millimeter wave uplink, and was finally successfully received at the receiving end for playback.

According to the 5G millimeter wave test plan of the IMT-2020 (5G) Promotion Group, the millimeter wave large uplink frame structure will be promoted in 2021 to support differentiated application scenarios. The real-time backhaul of ultra-high-definition video, especially 8K video, places very high requirements on the uplink bandwidth of the mobile network. The DSUUU frame structure used in this demonstration triples the peak uplink rate of existing millimeter wave technology by allocating more time slots to the uplink. The demonstration verified the super uplink capabilities of 5G millimeter wave, which is of great significance for meeting the large uplink bandwidth requirements of many 5G industry applications in the future.

It is worth mentioning that during the 2021 MWC Shanghai exhibition, the 5G millimeter wave exhibition area, hosted by China Unicom and GSMA and supported by Qualcomm, comprehensively displayed 5G millimeter wave applications and terminals supported by 39 industry-leading companies. The multi-vendor 5G millimeter wave terminals on display cover modules, mobile phones, CPE, PCs, AR (augmented reality) and XR (extended reality) equipment, live broadcast backpacks, robots and other rich categories.

I diversi scenari applicativi supportati dalle onde millimetriche 5G presentati includono: esperienza competitiva degli atleti, stazione sciistica intelligente con realtà mista 5G, trasmissione video 8K, servizio eventi full-view 5G e trasmissione live di eventi free-view, esperienza panoramica con onde millimetriche 5G, ecc. La soluzione di trasmissione live multiview 5G basata sulle onde millimetriche cattura direttamente il campo esterno del Centro Internazionale di Sci di Fondo di Zhangjiakou. Droni, telecamere montate sulla testa e fotocamere professionali comunicano con la stazione base tramite reti wireless e le pose eroiche degli atleti sul Centro Nazionale di Sci di Fondo vengono trasmesse in tempo reale da più angoli, realizzando una trasmissione live multi-angolo del campo e offrendo una varietà di esperienze visive agli spettatori. China Unicom è attualmente l'unico partner ufficiale per i servizi di comunicazione delle Olimpiadi invernali di Pechino 2022. La maturità dei terminali e delle applicazioni relative alle onde millimetriche 5G contribuirà a fornire servizi 5G migliori utilizzando la tecnologia a onde millimetriche alle Olimpiadi invernali di Pechino 2022.

La tecnologia a onde millimetriche 5G continua ad evolversi e potrebbe diventare una componente importante del 6G.

La tecnologia a onde millimetriche è in continua evoluzione. Ad esempio, la tecnologia di accesso e backhaul integrato (IAB) menzionata in precedenza; esiste anche la tecnologia di posizionamento a banda larga che può supportare il posizionamento preciso del terminale; supporto dello spettro esteso: supporta bande di frequenza superiori a 52.6 GHz e spettro senza licenza per operazioni ausiliarie e indipendenti con licenza; gestione del fascio migliorata: attraverso l'ottimizzazione del fascio completo e il supporto del fascio del pannello multi-antenna migliorano la latenza, la robustezza e le prestazioni; ottimizzazione della doppia connessione: riduce la latenza di accesso iniziale del terminale e migliora la copertura quando si collegano più nodi; funzionalità di risparmio energetico: migliora il consumo energetico massimizzando la dormienza del terminale per supportare un feedback di collegamento più rapido.

La continua evoluzione delle tecnologie 5G a onde millimetriche porterà nuove opportunità in termini di funzionalità, efficienza, spettro e implementazione. Inoltre, si prevede che la tecnologia 5G a onde millimetriche diventerà una componente importante della tecnologia 6G di prossima generazione.

Secondo il white paper sul 6G "Next Generation Hyper-Connected Experience" pubblicato da Samsung lo scorso anno, la velocità massima del 6G raggiungerà i 1000 Gbps e la latenza sarà di soli 100 µs. Il completamento e la commercializzazione potrebbero avvenire già nel 2028, con una diffusione su larga scala intorno al 2030. Riguardo a questi indicatori chiave e alle relative tempistiche, anche gli altri produttori di apparecchiature per le telecomunicazioni condividono sostanzialmente le stesse previsioni.

Samsung ha inoltre proposto tecnologie candidate che potrebbero essere utilizzate nello standard 6G, come la banda di frequenza THz (terahertz), una nuova tecnologia di antenne per migliorare la copertura del segnale ad alta frequenza, una tecnologia duplex avanzata, lo sviluppo della topologia di rete e la condivisione dello spettro per migliorare l'utilizzo della rete e potenziare l'applicazione dell'intelligenza artificiale.

Il white paper "6G: Senza confini, con l'IA", pubblicato dall'UNISOC, ritiene che le tecnologie di base del 6G si diversificheranno e che le comunicazioni a terahertz, le comunicazioni a luce visibile, la modulazione e la decodifica avanzate e la trasmissione collaborativa satellite-terra potrebbero diventare tecnologie di base del 6G.

Qualcomm ha sottolineato l'innovazione delle tecnologie correlate, come la progettazione basata sui dati AI/ML, il full-duplex, le onde millimetriche ad alta frequenza, il posizionamento avanzato, la banda dei terahertz, l'interfaccia intelligente, la rete verde, il rilevamento a radiofrequenza, la nuova topologia, il disaccoppiamento estremo, la ricerca della struttura della rete neurale cloud, la comunicazione ultra-sicura, il nuovo paradigma di condivisione, ecc.

È evidente che molti produttori ritengono che la tecnologia di comunicazione a terahertz sarà una delle tecnologie chiave per le comunicazioni 6G. La banda di frequenza dei terahertz si riferisce generalmente alla gamma di frequenze da 300 GHz a 10,000 GHz, e le onde elettromagnetiche intorno ai 300 GHz possono essere considerate anche onde millimetriche nella banda di frequenza più alta. Solo padroneggiando la tecnologia di comunicazione a onde millimetriche avremo l'opportunità di realizzare progressi significativi nella tecnologia di comunicazione a terahertz.

A metà del 2020, Yang Tao, vicepresidente del dipartimento Carrier Business di Huawei in Cina, ha anche rivelato pubblicamente che Huawei sta già partecipando a lavori di ricerca preliminare relativi al 6G. Il 6G oggetto di ricerca preliminare utilizza principalmente bande a onde millimetriche ed è nella fase di analisi degli scenari e ricerca tecnologica.

Vale la pena ricordare che alla fine del 2019, il Laboratorio di Tecnologia delle Apparecchiature del Gruppo NTT giapponese ha sviluppato un chip 6G ad altissima velocità realizzato in semiconduttore composto di fosfuro di indio (InP) e ha condotto esperimenti di trasmissione wireless ad alta velocità nella banda di frequenza a 300 GHz. Utilizzando la modulazione 16QAM, è possibile raggiungere una velocità di trasmissione wireless fino a 100 Gbps. Se si utilizza una combinazione di tecnologie di multiplexing spaziale come MIMO e OAM, si prevede di raggiungere una trasmissione wireless ad alta capacità superiore a 400 Gbps, che si avvicina già al requisito di velocità di picco del 6G.

In addition, 6G will realize an integrated high-speed communication network in the air, sky, earth and sea, and the millimeter wave frequency band will also be the first choice for inter-satellite links, user links for satellite downward coverage, and feed links from satellites to ground stations.

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