5G: quale impatto potrà avere sulla mobilità del futuro?

Negli ultimi anni si sta parlando molto del 5G, la quinta generazione della comunicazione cellulare. A differenza delle precedenti transizioni il 5G ha molti tratti che lo connotano come una vera rivoluzione, e, come tale, un passaggio tecnologico sia ricco di opportunità, in svariati settori, sia foriero di rischi e timori associati al cambiamento. In questo articolo proviamo a contribuire a fare chiarezza, cercando di spiegare il sistema 5G con particolare riferimento alla mobilità individuale ed al settore dei trasporti.

Questa quinta generazione, standardizzata come le precedenti da un ente internazionale denominato 3GPP, è molto più di una semplice evoluzione delle reti mobili. La rete 5G nasce come rete multiservizio, che espande l’offerta 4G ultrabroadband anche a servizi Internet of Things e ad applicazioni mission critical, abilitando anche la convergenza di reti (fisse, mobili, satellitari) e favorendo gli sviluppi tecnologici più recenti, tra cui il cloud computing, l’intelligenza artificiale (AI), i Big Data, la realtà aumentata e virtuale.  Questi sviluppi, per essere pienamente sfruttati con soluzioni wireless, richiedono prestazioni che solo il 5G potrà consentire.

Dal punto di vista tecnico il 5G introduce le seguenti principali novità: una nuova interfaccia radio, un più ampio ventaglio di bande di frequenza utilizzabili, ed una nuova core network (rete centrale).  Grazie a canali radio più ampi e frequenze più alte la banda di trasmissione è potenziata, consentendo trasmissioni fino a 20 Gbps (bit al secondo) in downlink, cioè dalla rete ai dispositivi mobili, e 10 Gbps in uplink, cioè dai dispositivi mobili alla rete. Questi sono valori raggiungibili ad oggi in condizioni ideali (sulle reti commerciali oggi disponibili l’utenza riesce a raggiungere velocità di alcune centinaia di Mbps in downlink) e, seppur molto superiori alla generazione precedente, non costituiscono il vero fattore rivoluzionario del 5G.

Gli aspetti davvero “rivoluzionari” riguardano altri parametri tecnici in grado di soddisfare anche tipologie di servizi non caratterizzati solo da requisiti di alta velocità, in particolare la flessibilità e la bassa latenza garantita. I canali di comunicazione disponibili nel 5G possono essere configurati per soddisfare requisiti molto diversi tra di loro come:

• Trasmissioni di dati ad altissima velocità;
• Trasmissioni massive a bassissimo bit rate o poco frequenti, con un numero grandissimo (sino a 1 milione per Kmq) di dispositivi collegati (internet of things).
• Trasmissioni affidabili ed in tempo reale, dove la latenza deve essere bassa e garantita ed è importante l’integrità del dato.
• Trasmissioni dirette tra dispositivi mobili.

Gli ultimi due aspetti sono particolarmente importanti per la mobilità individuale. Il 5G rende la comunicazione tra veicoli, e tra veicoli ed infrastruttura di prossimità (ad esempio semafori, caselli autostradali, segnaletica digitale), adeguata ad applicazioni cosiddette “safety critical”, dove è fondamentale che il dato arrivi quando serve, cioè in tempo reale, e sia corretto.

Banda di trasmissione

Le bande di frequenza utilizzate dal 5G hanno esteso ulteriormente quelle previste dal 4G, soprattutto nelle alte frequenze, onde millimetriche.

In particolare, lo standard 5G è stato progettato per operare su tre ulteriori bande (“bande pioniere”) armonizzate a livello internazionale, che potranno ulteriormente evolvere in futuro. In Europa esse oggi riguardano:

1. Banda UHF (694-790MHz). Attualmente sono frequenze occupate dalle trasmissioni televisive, che si stanno razionalizzando per fare spazio alla rete 5G. Possono viaggiare per lunghe distanze, penetrare i muri delle case e possono consentire la copertura con celle di ampie dimensioni, ma non consentono trasmissioni ad altissima velocità
2. Banda C (3.6-3.8 GHz). Permettono celle di alcuni chilometri e velocità tra i 100 e i 900 Mbit/s. Sono le frequenze impiegate nella grande maggioranza delle reti commerciali 5G odierne
3. Banda mmw, millimetrica (26 GHz). Permettono velocità molto elevate, ma per distanze più brevi e non penetrano muri e finestre. Richiedono quindi celle molto piccole e numerose e quindi sono adatte o per incrementi di traffico in aree urbane oppure in connessioni punto-punto.

Va inoltre aggiunto che il 5G può operare sin d’ora, se richiesto dall’Operatore, anche sulle frequenze 4G, nonché in banda non licenziata, cioè di utilizzo libero per tutti come nel caso del WiFi. Questo è utile sia per le cosiddette reti private 5G che per usi del 5G nel settore dei trasporti, ad esempio per collegamenti C-V2X (Cellular Vehicle to Everything). 

Una particolarità del 5G è che la connessione tra le celle potrà anche essere wireless. Attualmente le celle è previsto siano connesse in fibra ottica. Questo permetterà un ulteriore sviluppo di reti con celle molto piccole (“small cells”) nonché soluzioni per la copertura residenziale in aree remote (“Fixed Wireless”)

Beam forming

Grazie ad una nuova generazione di antenne ed agli sviluppi dello standard radio, diventa possibile da parte della stazione radio 5G “dirigere” fisicamente la trasmissione verso il dispositivo connesso, attraverso la tecnica del beam forming (formazione del fascio). Questo permette di ottimizzare la potenza irradiata dalla stazione, che è limitata per legge (in Italia a valori molto cautelativi), solo nella direzione utile, e consente un migliore riuso delle frequenze.

Network Slicing

La nuova Core Network 5G è progettata per essere dispiegata in cloud e le sue funzioni possono essere virtualizzate. Questo fa sì che la rete 5G potrà essere anche “divisa” (slicing, affettata) in reti virtuali tra loro indipendenti, ad ognuna delle quali sono associati dallo standard i requisiti minimi di Qualità del servizio per soddisfare l’applicazione per la quale è stata definita. Si potranno quindi avere reti (o meglio, slice di rete) ad alta velocità, bassa velocità e minima latenza, molte connessioni a basso bit rate, eccetera, tutte sulla stessa cella o insieme di celle. Una delle tipologie di slice standardizzate, tra l’altro, riguarda proprio il settore della mobilità veicolare (V2X).

Multiaccess Edge Computing (MEC)

Per Edge Computing si intende la disponibilità di risorse di calcolo (od applicazioni) “in prossimità” dell’utilizzatore, nel caso della rete cellulare sulla stazione, cella, dove il dispositivo è registrato oppure in una stazione prossima. La rete 5G prevede queste risorse distribuite, accessibili da diversi operatori (Multiaccess). 

MEC offre pertanto capacità di cloud computing e un ambiente di servizio IT nella periferia della rete cellulare.  Questo permette di ridurre il carico computazionale sul dispositivo mobile, portandolo su server applicativi residenti sulla cella. Associata ad una latenza (ritardo) molto contenuta, tipica della nuova interfaccia radio, questa possibilità migliora la user experience, cioè la qualità del servizio percepita dall’utente finale.   Inoltre, consente una minore domanda sulla rete per le richieste di calcolo prevedibili posizionandole sul MEC. Può anche essere usato per ottimizzare la rete stessa, a causa della sua grande capacità di calcolo distribuito che si rende disponibile e che può servire ad ottimizzare le risorse radio in funzione del carico. 

Il MEC permette anche una maggiore flessibilità nelle applicazioni. Per esempio, le applicazioni possono essere progettate per essere eseguite sul dispositivo mobile, sul MEC, nel cloud, o divise tra più domini per ottimizzare prestazioni, consumo energetico e altri aspetti. Alcune delle applicazioni 5G, come il gaming interattivo, la realtà virtuale/aumentata, la guida assistita, il controllo remoto di veicoli, la telesanità trovano nei dispiegamenti MEC un potente abilitatore.

Infine, il MEC si presta bene a gestire applicazioni geolocalizzate, cioè dove partecipano dispositivi localizzati vicini tra di loro, come succede nelle applicazioni di mobilità.

Consumo

Grazie ad un uso più efficiente delle risorse radio, il costo energetico di ogni bit scambiato su una rete 5G è significativamente inferiore rispetto al 4G, anche se l’incremento prestazionale delle reti commerciali in buona misura compensa questo guadagno. Peraltro, le stazioni radio 5G risultano più efficiente di quelle 4G grazie alle tecniche di beam forming precedentemente citate.

Riguardo al consumo energetico sui dispositivi, mentre non si registrano significative variazioni sugli smartphones, sono invece previste ottimizzazioni per i dispositivi IoT, una volta che la rete sarà pienamente sviluppata, ed in particolare per le applicazioni industriali, che potranno beneficiare di small cells e coperture ottimizzate. 

Dispositivi connessi

Il 5G consente di avere fino ad un milione di dispositivi connessi per chilometro quadrato. Questo grazie, ancora una volta, alle nuove procedure ottimizzate di accesso radio, minimizzando interferenza e tempo di setup della connessione

Sicurezza

Lo standard 5G ha dedicato molta attenzione alla cybersecurity (“security by design”), coprendo tutti gli aspetti rilevanti per la sicurezza dell’informazione (confidenzialità, integrità, disponibilità, ma anche autenticazione e non tracciabilità). La flessibilità insita nel sistema 5G permette di adeguare il livello di sicurezza per ogni rete “virtuale”, o slice, in funzione dei requisiti delle applicazioni che vi vengono eseguite.

Il traffico dati è protetto con la crittografia e i dispositivi e la rete si autenticano reciprocamente sia con la SIM del dispositivo mobile che con certificati digitali. Inoltre, sono state specificate funzioni di mutua autenticazione tra le funzionalità di rete risiedenti in cloud e nel dialogo tra reti 5G di operatori differenti. Nel roaming il dispositivo si autentica attraverso la conferma da parte del suo operatore.

L’autenticazione si può anche basare sulla localizzazione del dispositivo, aggiungendo un ulteriore livello di sicurezza. Anche la bassa latenza e l’edge computing possono costituire un fattore aggiuntivo per la sicurezza, limitando la potenziale superficie di attacco.

Sono state anche definite procedure di assurance, per la verifica della corretta implementazione dello standard nei sistemi di rete. Esse sono in via di potenziamento anche da parte di una agenzia europea, ENISA, l’agenzia per la cybersecurity, che è stata incaricata di produrre un “framework certificativo” per sistemi e dispositivi ed un insieme di requisiti da soddisfare nei processi di acquisizione, sviluppo e gestione delle reti.

Applicazioni e servizi 5G

Vediamo quindi come il 5G si traduce in servizi per la società, sia per il consumatore sia per le aziende. Sono innumerevoli, l’elenco che segue è ovviamente solo esemplificativo. Grazie alla maggiore banda sarà possibile trasmettere video nei formati 4K, 8K e anche 360 gradi, per la realtà virtuale. Sarà ancora più facile seguire eventi sportivi e di intrattenimento. Oppure utilizzare videogiochi ad alta definizione, o applicazioni musicali. Tutto questo anche a bordo di veicoli in movimento.

Per le aziende sarà più semplice introdurre soluzioni di automazione di fabbrica, o migliorare la sicurezza interna delle strutture. Il pilotaggio remoto di dispositivi, ad esempio in cave o miniere, diventa possibile, permettendo di ridurre i rischi per gli operatori laddove il sito presenta pericoli.

In sanità diventano possibili servizi sanitari a distanza, anche a domicilio.

Applicazioni nella mobilità

Nella mobilità ed i trasporti la rete cellulare diventa indispensabile per consentire la comunicazione tra il veicolo e l’infrastruttura o altri veicoli. Il 5G consente che tutti gli attori coinvolti nella mobilità possano partecipare per renderla più sicura, con un minore tasso di incidenti, ed efficiente.

Gli attori non sono solo i veicoli, ma anche i pedoni/ciclisti e l’infrastruttura stradale. Le applicazioni più vicine, temporalmente, sono quelle relative alla Smart Mobility. Ad esempio, è possibile conoscere sempre in tempo reale cosa offre l’ambiente che ci circonda in termini di soluzioni per raggiungere la destinazione: mezzi pubblici, taxi, monopattini, biciclette, vetture in car sharing, ecc. per poter sceglier in tempo reale, la modalità più adatta (Mobility as a Service).

Dispositivi low cost IoT potrebbero essere disseminati per la città per riconoscere i parcheggi liberi ed indicarci la loro posizione.

I dispositivi 5G possono poi essere tracciati in modo anonimo, fornendo utili informazioni a chi deve gestire il traffico, ad esempio operando sui cicli semaforici. E questo senza dover disporre di sensori di traffico.

Con la tracciatura è poi possibile rilevare situazioni critiche ed intervenire. La cella nei pressi di un semaforo potrebbe riconoscere situazioni anomale di flussi, ad esempio molti veicoli che intendono svoltare a sinistra o pedoni che si attardano ad attraversare, e modificare opportunamente il ciclo semaforico per evitare situazioni di rischio di incidente.

Le applicazioni possono riguardare anche il traffico pesante, consentendo ad esempio ai TIR di coordinarsi sulle tratte autostradali (platooning).

Guida assistita o autonoma

È questo un settore dove il 5G promette grossi sviluppi. Quasi tutti i nuovi modelli di veicolo sono dotati di connettività (che diventerà rapidamente di tipo 5G) e di sensori molto sofisticati, per assistere il guidatore nelle manovre, fino ad arrivare ad una guida completamente autonoma. Il 5G diventa in questo caso un fattore fortemente abilitante, permettendo quello che viene chiamato “orizzonte elettronico”: mentre una telecamera o un radar vede solamente per poche centinaia di metri di fronte al veicolo, il sensore 5G permette di avere informazioni provenienti da sensori, fissi o sui veicoli che precedono, anche per chilometri. La prima applicazione sarà quindi probabilmente un “hazard warning”: se tutti i veicoli che precedono rallentano, o si spostano tutti verso la stessa corsia, esiste probabilmente un ostacolo e questo viene segnalato ai guidatori dei veicoli che stanno sopraggiungendo.

Saranno poi possibili soluzioni di guida cooperativa. Ad esempio, potrà essere possibile impostare il controllo della velocità del veicolo, e questo si adeguerà tenendo conto delle informazioni che provengono dai veicoli che precedono. Se questi rallentano, si riduce la velocità, di conseguenza, anche se i veicoli sono ancora relativamente lontani. Si comprende in questo caso che le caratteristiche del 5G, bassa latenza e sicurezza del dato, siano requisiti necessari per queste applicazioni: il dato sulla velocità dei veicoli che precedono deve arrivare con un ritardo massimo di poche decine di millisecondi, o anche meno, per non correre rischi.

Conclusioni

I benefici potenziali del 5G sono enormi, ma come tutte le tecnologie anche questa presenta dei rischi, soprattutto relativamente alla enorme mole di informazioni che sarebbero raccolte ed elaborate. Nell’ambito della mobilità i benefici sarebbero massimi se tutto fosse connesso alla rete: veicoli, infrastruttura, guidatori, passeggeri, pedoni, ciclisti, ecc. Il traffico sarebbe ottimizzato, tutti potremmo scegliere la migliore modalità per raggiungere la destinazione, in modo sicuro ed evitando i pericoli, ridurremo le emissioni, azzereremmo il tempo perso per cercare un parcheggio e così via. Ma sarà fondamentale che queste informazioni siano protette, evitando che persone non autorizzate possano accedervi, o, peggio, possano essere manipolate.

Grazie alle sue caratteristiche e prestazioni, il 5G consente anche l’implementazione di adeguate misure di protezione delle informazioni. Sarà quindi fondamentale che tutti gli attori, nell’implementare nuovi servizi ed applicazioni basati sul 5G, tengano opportunamente conto dei rischi della sicurezza, sia dei dati che di persone e cose, e prendano adeguate contromisure per poter disporre realmente di tutti i benefici possibili offerti da questa nuova tecnologia.