Wi-Fi e reti mobili dalla 2G alla 6G: architetture, prestazioni, peculiarità e limiti

Wi-Fi e rete cellulare non sono la stessa cosa

Le sigle 2G, 3G, 4G, 5G e 6G indicano generazioni successive di sistemi cellulari. Il Wi-Fi non è una generazione cellulare e non può essere collocato, per esempio, “tra il 5G e il 6G”.

Il Wi-Fi è una famiglia di tecnologie WLAN, Wireless Local Area Network, cioè reti locali senza fili, basata principalmente sugli standard IEEE 802.11. Collega dispositivi presenti entro un’area limitata mediante uno o più access point. L’access point fornisce il collegamento radio locale, ma l’eventuale accesso a Internet dipende da un’infrastruttura separata: fibra, Ethernet, xDSL, ponte radio oppure rete cellulare.

Una rete cellulare costituisce invece un sistema geografico completo. Comprende il terminale dell’utente, le stazioni radio base, la rete di accesso radio, i collegamenti di trasporto, la rete centrale dell’operatore, i sistemi di autenticazione, la gestione della mobilità e l’instradamento verso Internet, reti telefoniche e servizi multimediali.

Il telefono non si limita quindi a collegarsi all’antenna con il segnale più forte. Deve essere autenticato, registrato nella rete, associato a una sessione dati e trasferito tra celle differenti durante gli spostamenti.

I limiti fisici comuni a tutte le reti radio

Nessuna generazione elimina i vincoli della propagazione elettromagnetica. Le prestazioni dipendono da potenza trasmessa, frequenza, larghezza di banda, guadagno e orientamento delle antenne, rumore elettrico, interferenze, ostacoli, riflessioni, distanza e numero di utenti concorrenti.

In condizioni ideali di spazio libero, la perdita di propagazione può essere approssimata da:

FSPL = 32,44 + 20 log₁₀(f) + 20 log₁₀(d)

dove FSPL è l’attenuazione in decibel, f è la frequenza in megahertz e d è la distanza in chilometri.

A parità di distanza e di antenne, aumentando la frequenza aumenta la perdita di propagazione. Le frequenze basse attraversano generalmente meglio gli ostacoli e consentono celle più estese. Le frequenze alte possono mettere a disposizione canali più larghi, ma richiedono distanze inferiori, antenne più direzionali e una rete più densa.

La capacità teorica di un canale è limitata dalla relazione di Shannon:

C = B log₂(1 + S/N)

dove C è la capacità teorica del canale, B è la larghezza di banda e S/N è il rapporto tra segnale utile e rumore.

Aumentare la banda può aumentare direttamente la capacità. Aumentare la potenza produce invece benefici progressivamente minori e può accrescere le interferenze provocate agli altri collegamenti.

La velocità effettiva dell’utente può essere schematizzata come:

R_utente ≈ B × η × N_s × K_o × K_r

B è la banda radio assegnata; η è l’efficienza spettrale reale; N_s è il numero di flussi MIMO utilizzabili; K_o tiene conto di segnalazione, controllo, correzione degli errori e ritrasmissioni; K_r rappresenta la quota delle risorse radio effettivamente assegnata al singolo utente.

Un telefono può quindi mostrare un segnale quasi massimo e fornire ugualmente una connessione lenta. Il livello del segnale indica la qualità del collegamento radio, non la quantità di risorse disponibili né lo stato del resto della rete.

Wi-Fi: una rete locale su un mezzo condiviso

Il Wi-Fi opera principalmente nelle bande a 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz. Le frequenze e le potenze effettivamente utilizzabili dipendono dalla normativa nazionale.

La banda a 2,4 GHz offre generalmente maggiore portata e migliore attraversamento degli ostacoli, ma dispone di pochi canali realmente indipendenti ed è frequentemente occupata da altre reti e apparecchiature.

La banda a 5 GHz mette a disposizione più canali e consente velocità superiori, ma presenta normalmente una copertura inferiore all’interno degli edifici.

La banda a 6 GHz offre ulteriore spettro e canali più larghi, ma la sua propagazione è ancora meno favorevole e l’utilizzo è soggetto a regole differenti nei vari Paesi.

Accesso al canale Wi-Fi

Nel Wi-Fi tradizionale l’accesso al mezzo radio utilizza CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Prima di trasmettere, il dispositivo ascolta il canale. Se lo rileva occupato, attende un intervallo casuale prima di tentare nuovamente.

Il Wi-Fi è quindi fondamentalmente un sistema a contesa: i dispositivi competono per utilizzare lo stesso mezzo radio. La latenza varia in funzione del traffico e la velocità disponibile per ogni dispositivo diminuisce quando aumenta il numero di dispositivi attivi.

Le versioni recenti introducono OFDMA, che permette di dividere il canale in unità più piccole assegnabili contemporaneamente a dispositivi differenti. Questo migliora l’efficienza, soprattutto in reti affollate, ma non trasforma il Wi-Fi in una rete dotata di risorse radio esclusive. L’access point continua a condividere le frequenze con le reti vicine.

Evoluzione del Wi-Fi

IEEE 802.11n, commercialmente Wi-Fi 4, ha introdotto l’impiego esteso del MIMO e dei canali da 40 MHz.

IEEE 802.11ac, Wi-Fi 5, ha utilizzato principalmente la banda a 5 GHz, canali più larghi, modulazioni più dense e trasmissioni multiutente.

IEEE 802.11ax, Wi-Fi 6, è stato progettato soprattutto per aumentare l’efficienza negli ambienti affollati mediante OFDMA, MU-MIMO, BSS Coloring e meccanismi di risparmio energetico. La velocità teorica complessiva di 9,6 Gbit/s non rappresenta la velocità normalmente disponibile a un singolo dispositivo.

Wi-Fi 6E utilizza le funzioni di Wi-Fi 6 anche nella banda dei 6 GHz.

IEEE 802.11be, commercialmente Wi-Fi 7, introduce canali fino a 320 MHz, modulazione 4096-QAM e Multi-Link Operation, cioè la possibilità di coordinare o utilizzare più collegamenti radio.

Peculiarità e difetti del Wi-Fi

Il Wi-Fi offre costi infrastrutturali relativamente bassi, controllo diretto della rete, velocità elevate su distanze brevi, integrazione semplice con Ethernet, possibilità di funzionare anche senza Internet e assenza di un canone radio per ogni access point installato. È particolarmente efficace quando gli access point sono installati correttamente e collegati alla rete mediante Ethernet o fibra.

Le frequenze non licenziate sono però condivise. Nessun amministratore può imporre alle reti vicine di cambiare canale, ridurre la potenza o rispettare la propria pianificazione.

Il terminale nascosto si verifica quando due dispositivi non riescono a riceversi reciprocamente, ma entrambi raggiungono l’access point. Ciascuno può considerare libero il canale e trasmettere nello stesso momento.

Il roaming tra access point dipende in misura rilevante dal terminale. Le estensioni IEEE 802.11k, 802.11r e 802.11v possono facilitare la transizione, ma non garantiscono automaticamente la continuità tipica di una rete cellulare.

Anche la potenza dell’access point ha utilità limitata. Il collegamento deve funzionare in entrambe le direzioni: un access point potente può essere ricevuto dal telefono, ma il telefono potrebbe non avere potenza sufficiente per rispondere correttamente.

2G: digitalizzazione di voce e messaggi

La seconda generazione ha sostituito la telefonia mobile analogica con sistemi digitali. Nel sistema GSM, le portanti radio sono separate di 200 kHz e ogni portante è suddivisa temporalmente in otto intervalli principali. Più utenti possono quindi utilizzare la stessa frequenza trasmettendo in momenti differenti.

La rete comprende terminale mobile, stazione radio BTS, controllore BSC, centrale di commutazione MSC, registri contenenti identità e posizione degli utenti e sistemi di autenticazione.

La voce viene normalmente gestita mediante commutazione di circuito: per la durata della chiamata viene riservato un percorso logico.

GPRS ha aggiunto la trasmissione dati a pacchetto. EDGE ha migliorato l’efficienza radio mediante modulazioni capaci di trasportare più bit per simbolo. Il sistema è passato così da servizi essenzialmente vocali e SMS a collegamenti dati dell’ordine di decine o, nelle condizioni migliori, alcune centinaia di kilobit al secondo.

La 2G offre copertura estesa, buona robustezza per chiamate e SMS, funzionamento con segnali relativamente deboli e consumi contenuti per applicazioni di telemetria minima.

La capacità dati è però insufficiente per le applicazioni moderne. L’architettura separa il dominio voce a circuito dal dominio dati a pacchetto e la sicurezza è superata. Nella 2G il terminale autentica la propria identità verso la rete, ma non dispone della piena autenticazione reciproca introdotta nelle generazioni successive.

La rete 2G continua a essere utile in alcuni sistemi legacy, ma la sua permanenza non costituisce una prova di superiorità. Dimostra soltanto che una tecnologia semplice, economica e già installata può essere molto difficile da pensionare.

3G: accesso dati mobile mediante W-CDMA

Nel sistema UMTS europeo, l’interfaccia radio principale è W-CDMA, Wideband Code Division Multiple Access. Più utenti condividono contemporaneamente la stessa banda mediante codici differenti.

I canali W-CDMA utilizzano normalmente una larghezza di circa 5 MHz. A differenza del GSM, non esiste una separazione rigida in otto intervalli destinati a utenti differenti. La capacità dipende fortemente dall’interferenza complessiva prodotta dagli utenti presenti nella cella.

Il controllo della potenza è fondamentale. Se un terminale vicino alla stazione radio trasmettesse con potenza eccessiva, potrebbe coprire i segnali più deboli provenienti dai terminali lontani. Questo è il problema near-far.

La rete di accesso UTRAN comprende il Node B, cioè la stazione radio, e il Radio Network Controller, che gestisce risorse, mobilità e collegamenti.

HSDPA e HSUPA introducono canali condivisi, assegnazione rapida delle risorse, modulazione adattiva e ritrasmissioni selettive. HSPA+ aggiunge ulteriori miglioramenti, tra cui modulazioni più dense, utilizzo contemporaneo di più portanti e configurazioni MIMO.

La velocità passa dalle centinaia di kilobit al secondo delle prime reti UMTS a diversi o alcune decine di megabit al secondo nelle implementazioni HSPA più evolute.

La 3G ha reso praticabili navigazione Internet mobile, posta elettronica, messaggistica basata su dati e video a risoluzione limitata. Ha mantenuto contemporaneamente la telefonia a circuito, consentendo agli operatori una transizione graduale.

La rete è però complessa perché mantiene separati voce a circuito e dati a pacchetto. W-CDMA è inoltre fortemente condizionato dall’interferenza. All’aumentare del traffico, la zona nella quale la cella riesce a fornire un servizio accettabile può ridursi: il fenomeno è chiamato cell breathing, respirazione della cella.

4G: rete interamente basata su pacchetti IP

La quarta generazione è associata a LTE e, in senso pienamente conforme ai requisiti IMT-Advanced, a LTE-Advanced.

LTE utilizza OFDMA in downlink, cioè dalla rete al terminale. Il canale viene suddiviso in molte sottoportanti ortogonali, raggruppate in risorse assegnabili dinamicamente agli utenti.

In uplink, cioè dal terminale alla rete, LTE utilizza DFT-spread OFDM, normalmente indicato come SC-FDMA. Questa soluzione riduce le variazioni di potenza del segnale trasmesso e facilita il funzionamento dell’amplificatore radio del telefono.

LTE supporta portanti di ampiezza differente, fino a 20 MHz. LTE-Advanced permette di aggregare più portanti, utilizzare configurazioni MIMO più estese e aumentare la capacità complessiva.

La rete di accesso E-UTRAN utilizza stazioni radio denominate eNodeB. Molte funzioni che nella 3G erano affidate al Radio Network Controller vengono trasferite direttamente alle stazioni radio.

La rete centrale EPC comprende principalmente MME per controllo e mobilità, Serving Gateway, Packet Data Network Gateway, Home Subscriber Server e sistemi di gestione delle priorità e della tariffazione.

LTE fornisce connettività IP a reti dati e applicazioni. La voce viene trasportata mediante VoLTE e infrastruttura IMS. Nelle prime implementazioni, in assenza di VoLTE, il telefono poteva tornare temporaneamente alla rete 2G o 3G per effettuare una chiamata.

La 4G offre latenza inferiore alla 3G, maggiore efficienza spettrale, architettura interamente IP, velocità di decine o centinaia di megabit al secondo, aggregazione di più portanti, MIMO, supporto a VoLTE e tecnologie IoT come LTE-M e NB-IoT.

Un collegamento LTE-Advanced ben configurato può utilizzare contemporaneamente più bande, più antenne e modulazioni elevate. Non è quindi una tecnologia rudimentale in attesa di essere inevitabilmente superata: resta una piattaforma radio tecnicamente evoluta.

La capacità della cella è comunque condivisa tra gli utenti. La presenza di quattro o cinque tacche di segnale non indica quanta banda sia disponibile. Le bande elevate migliorano la capacità, ma riducono la copertura e la penetrazione negli edifici. La velocità radio può inoltre essere limitata dal collegamento tra la stazione radio e la rete dell’operatore.

5G: standard tecnico reale ed etichetta commerciale

Il 5G è un insieme reale di standard tecnici. Il sistema è definito dal 3GPP a partire dalla Release 15 e comprende sia la nuova interfaccia radio 5G NR sia una nuova architettura di rete. Non è quindi una denominazione inventata esclusivamente dal marketing.

Tuttavia, nell’uso commerciale, la scritta 5G raggruppa configurazioni molto differenti tra loro. Può indicare 5G NSA appoggiato alla rete 4G, 5G SA con core network 5G, una portante in banda bassa, una portante in banda intermedia, un collegamento millimetrico a capacità molto elevata, una cella con poca banda disponibile, una rete congestionata oppure una rete con backhaul insufficiente.

La sola icona 5G non permette di sapere quale di queste condizioni sia presente.

5G NSA e 5G SA

Nella configurazione Non-Standalone, la radio 5G NR viene utilizzata insieme alla rete LTE e alla core network EPC della 4G. LTE mantiene il ruolo di collegamento principale per il controllo, mentre NR può aggiungere capacità dati.

Dal punto di vista commerciale, il telefono è connesso al 5G. Dal punto di vista architetturale, una parte essenziale del sistema continua però a essere 4G.

Nella configurazione Standalone, la radio NR è collegata direttamente alla 5G Core. Questa configurazione permette l’accesso completo alle funzioni native del sistema 5G, come la nuova gestione delle sessioni, il network slicing e una distribuzione più flessibile del piano utente.

Interfaccia radio 5G NR

5G NR utilizza OFDM con una struttura temporale e frequenziale più flessibile rispetto a LTE.

La distanza tra le sottoportanti segue generalmente:

Δf = 15 × 2^μ kHz

Variando il parametro μ, la rete può utilizzare simboli e intervalli temporali di durata differente.

5G NR supporta bande inferiori a 1 GHz per copertura estesa, bande intermedie per equilibrio tra capacità e propagazione e bande superiori a 6 GHz per collegamenti ad alta capacità su distanze ridotte.

Supporta inoltre canali fino a 100 MHz nelle gamme inferiori, canali fino a 400 MHz nelle gamme più elevate, massive MIMO, beamforming, TDD, FDD, mini-slot, codici LDPC e polari e configurazioni radio molto flessibili.

Massive MIMO e beamforming

Massive MIMO utilizza un grande numero di elementi d’antenna.

Il beamforming controlla fase e ampiezza dei segnali trasmessi dai diversi elementi, concentrando il segnale verso una determinata direzione.

Non viene creata energia aggiuntiva. L’energia viene distribuita in modo più utile, aumentando il guadagno nella direzione del terminale e riducendo, per quanto possibile, le interferenze verso altre direzioni.

Quando i canali radio di utenti differenti sono sufficientemente separabili, la stazione può trasmettere flussi distinti sulla stessa frequenza. Questo è il multiplexing spaziale.

5G Core e network slicing

La 5G Core adotta una Service-Based Architecture, nella quale numerose funzioni di rete sono implementate come servizi software che comunicano mediante interfacce definite.

Tra le principali funzioni vi sono AMF per gestione dell’accesso e della mobilità, SMF per gestione delle sessioni, UPF per trasporto dei dati dell’utente, UDM per gestione dei dati dell’abbonato, AUSF per autenticazione, PCF per gestione delle politiche e NRF come registro delle funzioni di rete.

Il network slicing consente di creare reti logiche con caratteristiche differenti sopra la stessa infrastruttura fisica. Una slice può essere configurata, per esempio, per traffico ordinario, dispositivi industriali, servizi di emergenza, bassa latenza o elevato numero di sensori.

La slice non crea nuova capacità radio. Se la cella è satura, la suddivisione software non può moltiplicare le risorse fisiche disponibili.

Un 5G può andare peggio di un 4G

La generazione nominale non determina da sola la qualità della connessione.

Un buon collegamento 4G LTE-Advanced può risultare migliore di un collegamento 5G quando il 4G utilizza più portanti aggregate, il segnale 4G è più forte, il 5G opera su una banda poco adatta all’interno degli edifici, la portante 5G dispone di poca larghezza di banda, la cella 5G è congestionata, il 5G è disponibile soltanto in configurazione NSA, il backhaul costituisce il collo di bottiglia, il terminale passa continuamente tra 4G e 5G oppure il server remoto limita la velocità.

Anche due reti indicate entrambe come 5G possono avere prestazioni completamente diverse. Una rete 5G in banda bassa può privilegiare la copertura e offrire prestazioni simili a quelle del 4G. Una rete 5G in banda intermedia, con canali ampi e massive MIMO, può invece fornire un miglioramento considerevole. Una rete in banda millimetrica può raggiungere capacità ancora superiori, ma soltanto entro aree limitate e con visibilità radio favorevole.

La scritta 5G sullo schermo indica quindi il tipo generale di accesso disponibile. Non certifica la velocità, la latenza, l’assenza di congestione, la configurazione SA, la qualità del backhaul o la stabilità del collegamento.

Cosa cambia realmente per un utente normale

Per messaggistica, posta elettronica, navigazione, musica, social network, videochiamate e normale streaming, un buon collegamento 4G dispone già di capacità sufficiente.

In queste condizioni il passaggio al 5G può non produrre differenze percepibili. Una pagina web non diventa istantanea soltanto perché la velocità radio passa, per esempio, da 100 a 500 Mbit/s. Il caricamento dipende anche dal tempo di risposta del server, dalla distanza geografica, dall’elaborazione del browser, dal numero di richieste, dalla congestione di Internet e dalla dimensione reale dei contenuti.

Il vantaggio del 5G diventa più evidente quando occorrono download molto grandi, elevato traffico simultaneo, connessioni fisse alternative alla fibra, applicazioni industriali, reti private, moltissimi dispositivi per area, controllo con requisiti temporali stringenti o distribuzione locale dei servizi mediante edge computing.

Per il normale utilizzatore di smartphone, il vantaggio più importante del 5G potrebbe non essere la velocità massima individuale, ma la maggiore capacità complessiva della rete nelle zone affollate. Anche questo beneficio esiste soltanto quando l’operatore ha installato spettro, antenne, backhaul e core network adeguati.

Il risultato pratico è semplice: tra un ottimo 4G e un 5G mediocre conviene l’ottimo 4G. Il numero più alto non vince per diritto dinastico.

Latenza: il millisecondo non riguarda tutta Internet

I requisiti IMT-2020 comprendono valori molto bassi per la latenza della componente radio in condizioni specifiche. Non significano che qualsiasi applicazione Internet risponda in un millisecondo.

La latenza complessiva può essere espressa come:

T_totale = T_accesso + T_{schedulazione} + T_radio + T_trasporto + T_core + T_coda + T_server

La rete radio costituisce soltanto una parte del percorso.

Un server collocato vicino alla stazione radio mediante edge computing può ridurre notevolmente il ritardo. Un server situato in un altro continente resta soggetto alla distanza fisica, ai router attraversati e alle code presenti lungo il percorso.

La velocità di propagazione nella fibra è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Nessuna generazione mobile può eliminare questo limite.

Copertura e capacità

Non esiste una frequenza migliore in assoluto.

Le bande basse offrono grande copertura, migliore penetrazione negli edifici, minore capacità complessiva e disponibilità limitata di spettro.

Le bande intermedie offrono un buon compromesso tra copertura e capacità, la possibilità di utilizzare canali relativamente ampi e un impiego efficace di massive MIMO.

Le bande elevate offrono canali molto larghi ed elevata capacità locale, ma anche minore copertura, maggiore sensibilità agli ostacoli e necessità di più stazioni radio.

Una rete moderna utilizza quindi più strati: macrocelle a bassa frequenza per la copertura, bande intermedie per la capacità urbana, small cell per zone ad alta densità, Wi-Fi per ambienti locali e indoor e satellite o piattaforme aeree per aree remote.

Mobilità e handover

Nel Wi-Fi, il terminale decide normalmente quando abbandonare un access point e collegarsi a un altro. La rete può fornire informazioni e facilitare la transizione, ma il comportamento del dispositivo rimane determinante.

Nelle reti cellulari, le misure radio e il trasferimento tra celle sono coordinati dalla rete. Il sistema considera intensità e qualità del segnale, interferenza, carico delle celle, velocità dell’utente, frequenze disponibili e priorità configurate.

Nella 3G può essere utilizzato il soft handover, durante il quale il terminale comunica temporaneamente con più celle.

LTE utilizza prevalentemente hard handover: il vecchio collegamento viene rilasciato e il nuovo viene attivato in tempi controllati.

Il 5G può utilizzare dual connectivity, mantenendo collegamenti simultanei con più nodi o tecnologie.

Il successo dell’handover radio non garantisce comunque la continuità perfetta dell’applicazione. Tunnel, indirizzi, gateway e sessioni di trasporto possono introdurre ulteriori ritardi.

Sicurezza

Nel Wi-Fi, WPA2 e WPA3 proteggono il collegamento radio locale quando sono configurati correttamente. Restano possibili problemi causati da password deboli, reti aperte, access point falsi, protocolli legacy, dispositivi non aggiornati e configurazioni errate.

Nelle reti cellulari, SIM o eSIM contengono credenziali utilizzate per autenticare l’abbonato.

La 3G ha introdotto l’autenticazione reciproca tra terminale e rete. La 4G e la 5G utilizzano gerarchie di chiavi e procedure più articolate.

La 5G aggiunge ulteriori protezioni dell’identità e aggiorna l’architettura di sicurezza per affrontare attacchi alle interfacce radio, al piano di segnalazione, al traffico utente e alle comunicazioni tra operatori.

La cifratura radio protegge soltanto una parte del percorso. I dati attraversano anche rete di trasporto, core network, Internet, server e applicazioni. HTTPS, cifratura end-to-end, aggiornamenti e corretta gestione delle identità restano quindi necessari indipendentemente dal fatto che il collegamento sia Wi-Fi, 4G o 5G.

6G: IMT-2030, ancora in fase di definizione

Nell’agosto 2026 non esiste una rete 6G commerciale standardizzata.

L’ITU ha assegnato alla futura generazione la denominazione IMT-2030 e ha approvato nel 2023 la Raccomandazione ITU-R M.2160, contenente il quadro generale e gli obiettivi.

Nel febbraio 2026 il Working Party 5D dell’ITU-R ha completato una bozza contenente venti requisiti minimi di prestazione. Nel giugno 2026 ha completato anche le linee guida preliminari per la valutazione delle tecnologie radio candidate. Entrambi i documenti sono stati inviati allo Study Group 5 per l’approvazione prevista nel dicembre 2026. Le proposte delle tecnologie candidate sono attese tra febbraio 2027 e febbraio 2029.

Il 3GPP sta conducendo nella Release 20 gli studi preparatori sul 6G. La Release 21 costituirà l’avvio del lavoro normativo e delle prime specifiche formali.

La 6G è quindi un programma di ricerca e standardizzazione, non un prodotto già definito al quale manchi soltanto l’accensione.

Scenari previsti per la 6G

IMT-2030 individua sei gruppi principali: comunicazione immersiva, comunicazione iper-affidabile e a bassa latenza, comunicazione massiva, connettività ubiqua, integrazione tra intelligenza artificiale e comunicazione e comunicazione e rilevamento integrati.

La comunicazione e il rilevamento integrati prevedono che la stessa infrastruttura radio possa trasmettere dati e ricavare informazioni sulla posizione, sul movimento o sulle caratteristiche degli oggetti presenti nell’ambiente.

Il quadro IMT-2030 considera, in funzione degli scenari, velocità di picco comprese indicativamente tra 50 e 200 Gbit/s, velocità disponibili all’utente di 300-500 Mbit/s o superiori, efficienza spettrale superiore a IMT-2020, densità fino a 10⁶-10⁸ dispositivi per chilometro quadrato, mobilità fino a 500-1.000 km/h, latenza radio indicativa tra 0,1 e 1 ms e posizionamento con precisione dell’ordine di 1-10 cm.

Questi valori non devono essere raggiunti tutti contemporaneamente e non rappresentano prestazioni garantite nelle reti future. Sono obiettivi utilizzati per orientare ricerca, specifiche e valutazioni.

Tecnologie considerate e problemi ancora aperti

Le aree di ricerca comprendono frequenze superiori a 100 GHz, reti terrestri e satellitari integrate, comunicazione e sensing congiunti, intelligenza artificiale applicata alla gestione radio, superfici intelligenti riconfigurabili, array di antenne molto estesi, reti distribuite, posizionamento ad alta precisione, full duplex ed elaborazione vicina all’utente.

A frequenze molto elevate aumenta l’attenuazione, diminuisce la capacità di attraversare gli ostacoli, diventano rilevanti specifiche bande di assorbimento atmosferico, aumentano i requisiti degli amplificatori e dei convertitori, crescono consumo energetico e complessità, servono antenne molto direzionali e aumenta la densità necessaria delle stazioni radio.

Canali molto larghi richiedono inoltre backhaul di capacità equivalente. Una radio da 100 Gbit/s collegata a una fibra da 10 Gbit/s rimane, nel complesso, una rete da 10 Gbit/s.

L’impiego di intelligenza artificiale nel controllo della rete introduce problemi di stabilità, sicurezza, verificabilità e interoperabilità.

La capacità di rilevare posizione e movimento mediante i segnali radio introduce anche nuovi problemi di riservatezza.

Prestazioni teoriche e prestazioni reali

I valori massimi dichiarati per una tecnologia vengono normalmente calcolati assumendo massima larghezza di banda, modulazione più efficiente, segnale eccellente, massimo numero di flussi MIMO, tutte le risorse assegnate a un solo utente, assenza di congestione, terminale di categoria elevata e condizioni radio ideali.

Nella rete reale si verificano invece condivisione tra utenti, interferenze, ostacoli, ritrasmissioni, mobilità, limiti termici, limiti energetici, congestione del trasporto e limiti del server remoto.

Un confronto serio dovrebbe considerare velocità mediana, velocità degli utenti in condizioni peggiori, latenza mediana, latenza al 95º o 99º percentile, jitter, perdita di pacchetti, stabilità, prestazioni al bordo della cella, consumo energetico e capacità per unità di area.

Il record ottenuto accanto all’antenna alle tre del mattino è tecnicamente interessante. Come descrizione del servizio reale vale quanto la velocità massima scritta sul tachimetro durante l’ingorgo.

Glossario tecnico essenziale

Access point — AP. Dispositivo che collega via radio i terminali Wi-Fi alla rete locale.

Aggregazione delle portanti — carrier aggregation. Utilizzo simultaneo di più portanti radio per aumentare la banda complessiva disponibile.

Ampiezza o larghezza di banda. Intervallo di frequenze occupato da un canale. Una banda più larga permette potenzialmente di trasferire più dati.

Backhaul. Collegamento tra la stazione radio o l’access point e il resto della rete. Può essere realizzato in fibra, rame, ponte radio o altra tecnologia.

Beamforming. Tecnica che utilizza più elementi d’antenna per concentrare il segnale verso una determinata direzione.

Bit rate fisico — PHY rate. Velocità lorda con cui vengono trasmessi i simboli radio. È superiore alla velocità utile realmente disponibile alle applicazioni.

Canale radio. Porzione di spettro utilizzata per una trasmissione.

Cella. Area servita da una stazione radio cellulare o da uno specifico settore della stazione.

Cell edge — bordo cella. Zona periferica di una cella, nella quale il segnale utile tende a essere più debole e l’interferenza proveniente dalle celle vicine più rilevante.

Commutazione di circuito. Tecnica nella quale un percorso logico viene riservato per tutta la durata della comunicazione, come nella telefonia tradizionale.

Commutazione di pacchetto. Tecnica nella quale i dati vengono suddivisi in pacchetti instradati attraverso la rete senza riservare necessariamente un circuito permanente.

Core network. Rete centrale dell’operatore. Gestisce autenticazione, sessioni, mobilità, servizi e instradamento.

CSMA/CA. Metodo utilizzato dal Wi-Fi per ascoltare il canale e ridurre la probabilità che più dispositivi trasmettano contemporaneamente.

Downlink. Trasmissione dalla rete verso il terminale.

Dual connectivity. Uso simultaneo di collegamenti verso due nodi o due tecnologie radio.

Edge computing. Elaborazione eseguita in server collocati vicino all’utente, per ridurre latenza e traffico verso centri dati lontani.

Efficienza spettrale. Quantità di dati trasferibili per unità di banda radio, normalmente espressa in bit al secondo per hertz.

eNodeB. Stazione radio della rete LTE.

FDD — Frequency Division Duplex. Separazione di uplink e downlink mediante frequenze differenti.

Fronthaul. Collegamento tra la parte radio dell’antenna e l’unità che esegue l’elaborazione digitale del segnale.

gNodeB — gNB. Stazione radio della rete 5G NR.

Handover. Trasferimento di una connessione attiva da una cella a un’altra.

HARQ. Sistema di correzione degli errori che combina codifica e ritrasmissioni rapide dei dati non ricevuti correttamente.

Interferenza. Energia radio indesiderata che disturba la ricezione del segnale utile.

Jitter. Variazione della latenza tra pacchetti successivi.

Latenza. Tempo necessario affinché un dato raggiunga la destinazione o compia un percorso di andata e ritorno.

MIMO — Multiple Input Multiple Output. Uso di più antenne in trasmissione e ricezione per aumentare capacità, robustezza o entrambe.

Modulazione. Tecnica con cui l’informazione digitale modifica ampiezza, fase o frequenza del segnale radio.

Multiplexing. Condivisione di una risorsa tra più segnali o utenti mediante separazione nel tempo, nella frequenza, nel codice o nello spazio.

Network slicing. Creazione di reti logiche con caratteristiche differenti sopra una stessa infrastruttura fisica.

Nodo radio o stazione radio base. Apparato che comunica direttamente con i terminali cellulari.

NSA — Non-Standalone. Configurazione 5G nella quale la radio NR utilizza ancora elementi fondamentali della rete 4G LTE ed EPC.

OFDMA. Tecnica che divide il canale in molte sottoportanti e assegna gruppi di risorse a utenti differenti.

Pacchetto. Unità nella quale vengono suddivisi i dati prima della trasmissione attraverso una rete digitale.

Portante. Segnale radio centrato su una determinata frequenza e utilizzato per trasportare informazioni.

Qualità del servizio — QoS. Meccanismi che assegnano priorità, banda o limiti di latenza differenti ai diversi flussi di traffico.

RAN — Radio Access Network. Parte della rete cellulare composta da stazioni radio e funzioni che gestiscono il collegamento con i terminali.

Rapporto segnale-rumore — SNR. Rapporto tra la potenza del segnale utile e quella del rumore. Valori più alti permettono normalmente modulazioni più efficienti.

Roaming. Uso del servizio mobile attraverso una rete diversa da quella del proprio operatore oppure, nel Wi-Fi, passaggio tra punti di accesso della stessa rete.

SA — Standalone. Configurazione nella quale la radio 5G NR è collegata direttamente alla 5G Core.

Scheduler. Funzione che decide quali utenti possono trasmettere, quando e utilizzando quali risorse radio.

SIM ed eSIM. Moduli fisici o integrati che contengono le credenziali necessarie per autenticare l’abbonato nella rete cellulare.

Spettro licenziato. Frequenze il cui diritto d’uso è assegnato a uno o più operatori secondo regole definite dall’autorità competente.

Spettro non licenziato. Frequenze utilizzabili senza una licenza individuale, purché vengano rispettati limiti comuni di potenza e funzionamento. Non significa spettro privo di regole.

Spettro radio. Insieme delle frequenze elettromagnetiche utilizzabili per le comunicazioni senza fili.

TDD — Time Division Duplex. Uso della stessa frequenza per uplink e downlink in intervalli temporali differenti.

Throughput. Velocità effettiva dei dati utili trasferiti. È inferiore al bit rate fisico a causa di controllo, segnalazione, correzione degli errori e ritrasmissioni.

Uplink. Trasmissione dal terminale verso la rete.

VoLTE. Servizio telefonico vocale trasportato tramite la rete LTE e il sistema IMS.

VoNR. Servizio telefonico vocale trasportato tramite 5G NR e 5G Core.

Conclusioni

Wi-Fi e reti cellulari risolvono problemi differenti. Il Wi-Fi è una tecnologia locale, economica e capace di alte velocità, ma utilizza un mezzo condiviso e non offre automaticamente mobilità geografica, controllo centralizzato e copertura estesa.

La 2G ha digitalizzato la telefonia mobile e introdotto gli SMS, ma offre capacità dati e sicurezza insufficienti per le esigenze moderne.

La 3G ha reso praticabile Internet mobile, pagando però un’elevata complessità architetturale e una forte dipendenza dall’interferenza.

La 4G ha realizzato una rete interamente IP e rimane una tecnologia molto efficiente. LTE-Advanced, con aggregazione delle portanti e MIMO, può offrire prestazioni eccellenti.

La 5G introduce una nuova radio e una nuova core network, ma l’etichetta commerciale 5G non descrive da sola la qualità della connessione. Un 5G NSA con poca banda o segnale debole può essere inferiore a un buon 4G. Per gran parte degli utenti, il passaggio da un 4G efficiente a un 5G ordinario non modifica sensibilmente messaggistica, navigazione, streaming e videochiamate.

Il valore principale del 5G non consiste necessariamente nel far caricare una pagina web qualche frazione di secondo prima. Consiste soprattutto nella possibilità di aumentare la capacità per area, gestire configurazioni radio più flessibili, supportare reti private, distribuire funzioni della core network e servire applicazioni con requisiti specifici.

La 6G non è ancora una rete disponibile. IMT-2030 definisce obiettivi relativi a comunicazione immersiva, sensing, intelligenza distribuita, reti non terrestri e connettività ubiqua. Molte tecnologie sono ancora oggetto di ricerca e potrebbero essere modificate, ridimensionate o abbandonate prima della standardizzazione definitiva.

L’incremento del numero davanti alla lettera G non elimina attenuazione, rumore, interferenza, congestione e limiti infrastrutturali. Cambiano i mezzi disponibili per gestirli. Le leggi fisiche, come al solito, non hanno letto il materiale pubblicitario.