Rete mesh wireless a banda larga

Descrizione

La connettività tramite reti mesh wireless a banda larga (B-WMN) è diventata uno degli aspetti fondamentali dell’infrastruttura delle città intelligenti. Nonostante la fibra ottica sia ampiamente disponibile negli ambienti urbani, fornire un’infrastruttura cablata per qualsiasi servizio digitale è un’impresa costosa che richiede un’attenta pianificazione e spesso porta a strutture statiche e poco flessibili. Questo comporta notevoli disagi per la vita dei cittadini e costi elevati per implementare soluzioni in modo rapido e flessibile. Le B-WMN mirano a superare questi problemi riducendo al minimo e/o eliminando la necessità di infrastrutture cablate e utilizzando le infrastrutture cittadine esistenti come piattaforme per la loro implementazione (Egners et al., 2013).

Le B-WMN hanno bassi costi di installazione e manutenzione e facilitano la connessione a qualsiasi luogo possibile in contesti urbani o rurali, indipendentemente dalla complessità dell’accesso. Esistono diverse applicazioni delle B-WMN, come la casa digitale, l’accesso a Internet a banda larga, l’automazione degli edifici, i sistemi sanitari e medici, nonché le reti per le emergenze e le catastrofi (Salah & Salleh, 2013). I funzionari dei lavori pubblici possono utilizzare le B-WMN per monitorare le forniture idriche ed elettriche installando una rete mesh wireless nelle fognature, negli impianti di trattamento delle acque o nei generatori. Gli operatori della sicurezza pubblica possono utilizzare reti virtuali sicure per rimanere in contatto. I nodi della rete a maglia possono anche essere montati su lampioni, semafori e altri oggetti in movimento; ciò offre l’opportunità di collegare diversi dispositivi alla rete a maglia in caso di emergenza (BasuMallick, 2022).

La B-WMN è un’infrastruttura costituita da una rete di router che comunicano tra loro in modalità wireless a velocità gigabit (simili alla fibra ottica). È composta da nodi radio che non necessitano di essere collegati via cavo a una porta cablata come i tradizionali punti di accesso wireless (Parvin, 2019). Le B-WMN stanno riscuotendo sempre più attenzione come strumento interessante per fornire una connettività capillare a integrazione dell’accesso offerto dai normali fornitori di servizi Internet (ISP). La topologia a maglia delle B-WMN offre un’elevata flessibilità, un’affidabilità fino al 99,999% e una latenza inferiore a 2 ms, ideale per applicazioni in tempo reale ad alta larghezza di banda, dando così vita a un’infrastruttura fisica che consente connessioni di instradamento e trasporto flessibili (Matos et al., 2011).

Infrastruttura B-WMN nelle aree urbane (Cilfone et al., 2019)

Problemi da risolvere

Modello di valore

I vantaggi di una rete mesh wireless a banda larga (BABLE, 2022)

Costi di una rete mesh wireless a banda larga (BABLE, 2022)

Contesto cittadino

In particolare, una città intelligente può essere vista come un insieme di tante “sottoreti”, ognuna delle quali si occupa di un aspetto specifico del monitoraggio complessivo della città e si avvale di diversi sistemi di comunicazione con tecnologie diverse (Cilfone et al., 2019).

Attraverso una rete mesh wireless a banda larga (B-WMN), ogni nodo comunica con tutti gli altri nodi e ogni nodo riceve dati da un nodo mentre li inoltra al nodo successivo. I fattori che le città devono considerare prima di implementare le B-WMN includono:

• Arredo urbano: la presenza di arredo urbano facilita l’implementazione delle reti B-WMN, ad esempio lampioni e semafori.
• Linea di vista: le reti mesha banda larga che operano nella banda delle onde millimetriche (compresi i 60 GHz) richiedono un mezzo di trasmissione in linea di vista, il che significa che l’estremità di trasmissione e quella di ricezione del collegamento devono essere visibili l’una all’altra per garantire la trasmissione. Alberi, edifici e altri ostacoli tra l’estremità di trasmissione e quella di ricezione ridurranno l’affidabilità o elimineranno del tutto la connettività del collegamento. Pertanto, una pianificazione avanzata della linea di vista tra i siti è essenziale in qualsiasi progetto (Perrin, 2020).
• Condizioni climatiche: variano da regione a regione e la topografia cambia da percorso a percorso. È quindi necessario effettuare un’attenta pianificazione dei siti per comprendere eventuali limitazioni esistenti in base al contesto locale.
• Norme e regolamenti: è necessario esaminare le norme stabilite dalle autorità centrali e dagli organismi di regolamentazione competenti per garantire la conformità.

Fattori di supporto

Tra i fattori a favore delle B-WMN ci sono:

• Facilità di implementazione: grazie all ’accesso all’alimentazione elettrica e ai pali, l’installazione in loco e la messa in servizio possono essere completate in meno di 30 minuti, rispetto ai mesi necessari per posare nuove fibre ottiche o altre forme di reti cablate
• Migliore accesso ai dati: rete dati scalabile che supporta Wi-Fi, LTE/5G privato e accesso wireless fisso
• Migliori sistemi di rilevamento: telecamere, sensori per la salute e l’ambiente, la gestione del traffico, ecc.
• Trasporto dei dati ottimizzato: reti di trasporto in superficie
• Applicazioni nel prossimo futuro: veicoli autonomi e reti di droni per l’assistenza predittiva

Iniziative del governo

Tra le iniziative governative che sostengono l’adozione di tecnologie che consentono la connettività ad alta velocità e l’accesso digitale ci sono:

• La Strategia digitale dell’UE: la strategia della Commissione europea per plasmare il futuro digitale dell’Europa. Nei prossimi cinque anni, la Commissione si concentrerà su tre obiettivi chiave per garantire che le soluzioni digitali aiutino l’Europa a perseguire la propria strada verso una trasformazione digitale a beneficio delle persone. Questi includono: 1) Sviluppare e implementare tecnologie al servizio delle persone 2) Un’economia equa e competitiva: un mercato unico senza ostacoli in cui le aziende di tutte le dimensioni e di qualsiasi settore possano competere su un piano di parità; 3) Una società aperta, democratica e sostenibile: un ambiente affidabile in cui i cittadini abbiano il controllo sulle proprie azioni e interazioni, nonché sui dati che forniscono sia online che offline (Commissione Europea).
• Programma «Europa digitale»: il nuovo programma di finanziamento dell’UE incentrato sulla diffusione della tecnologia digitale tra imprese, cittadini e amministrazioni pubbliche. Il suo obiettivo è accelerare la ripresa economica e plasmare la trasformazione digitale della società e dell’economia europee, portando benefici a tutti, ma in particolare alle piccole e medie imprese. Nell’ambito di questo programma vengono sostenuti progetti in cinque aree chiave: supercalcolo, intelligenza artificiale, sicurezza informatica, competenze digitali avanzate e garanzia di un ampio utilizzo delle tecnologie digitali in tutta l’economia e la società, anche attraverso i Poli di innovazione digitale (Commissione europea).
• Iniziativa «Internet di nuova generazione» (NGI): un’iniziativa europea che punta a plasmare l’Internet del futuro come un ecosistema di piattaforme interoperabili che incarni i valori cari all’Europa: apertura, inclusività, trasparenza, privacy, cooperazione e protezione dei dati (Commissione europea). L’NGI guiderà la rivoluzione tecnologica e garantirà l’adozione progressiva di concetti e metodologie avanzati che abbracciano i settori dell’intelligenza artificiale, dell’Internet delle cose, delle tecnologie interattive e altro ancora, contribuendo al contempo a rendere il futuro di Internet più incentrato sull’uomo.
• La strategia dell’UE per la banda larga: la Commissione europea sta aiutando le aziende, i responsabili di progetto e le autorità dell’UE ad aumentare la copertura di rete per raggiungere gli obiettivi della «Società Gigabit» dell’UE. «Broadband Europe» promuove la strategia della Commissione sulla connettività per una “Società Gigabit” europea entro il 2025, nonché la visione definita dal “Decennio digitale per l’Europa” per la trasformazione digitale entro il 2030, con l’obiettivo di collegare i cittadini e le imprese europee a reti ad altissima capacità, che consentiranno di offrire prodotti, servizi e applicazioni a tutti i cittadini e alle imprese in tutta l’UE (Commissione europea).

Mappatura degli stakeholder

Mappa delle parti interessate per un sistema B-WMN (BABLE, 2022)

Potenziale di mercato

Il mercato globale delle città intelligenti era valutato a 392,9 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiunga i 1.380,21 miliardi di dollari entro il 2030, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 12,1% nel periodo 2020-2030 (NMSC, 2022). Le città e i cittadini chiedono una connettività migliore. La rete WMN, come soluzione per le smart city, composta da una rete di comunicazione distribuita su diversi nodi wireless a maglia, risponde a questa esigenza. Queste tecnologie di rete offrono un vantaggio significativo rispetto alle reti wireless tradizionali, poiché non richiedono cavi Ethernet né alcun tipo di cablaggio fisico, tranne che per il nodo sorgente. La rete mesh wireless è autoconfigurante, il che permette l’integrazione automatica di nuovi nodi mesh senza bisogno di amministrazione di rete. (Global Market Insights, 2019).

Il mercato delle reti mesh wireless ha superato i 2 miliardi di dollari nel 2019 e dovrebbe crescere a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) superiore al 15% tra il 2020 e il 2026. La crescita del mercato è dovuta alla crescente diffusione delle reti mesh wireless grazie alle loro affidabili capacità di rete, tra cui una trasmissione dati più veloce e una maggiore facilità di implementazione (Global Market Insights, 2019).

Potenziale di mercato (Global Market Insights, 2019). Immagine modificata da BABLE.

Struttura dei costi

Secondo Heavy Reading (Perrin, 2020), la banda a 60 GHz regge bene il confronto sia con la fibra fino all’abitazione (FTTP) che con le opzioni di spettro mmWave con licenza, anche se il costo delle apparecchiature in sé non è il fattore principale in nessuno dei due casi. Per le installazioni FTTP, Ovum stima che nei paesi con manodopera costosa i costi di realizzazione della rete possano rappresentare l’80% o più dei costi totali della rete FTTP. Ad esempio, i dati della Federal Communications Commission (FCC) statunitense sui costi di costruzione della fibra per miglio variano notevolmente da 20.000 a oltre 100.000 dollari, a seconda che la fibra sia aerea, passi attraverso condotti esistenti o richieda costruzioni completamente nuove. Tuttavia, Heavy Reading ritiene che la maggior parte delle decisioni tra fibra e mmWave non si baserà sull’analisi dei costi.

Piuttosto, gli operatori opteranno per le onde millimetriche quando la fibra semplicemente non è un’opzione o quando la rapidità di immissione sul mercato è un fattore chiave. Come già detto, i progetti di posa della fibra possono richiedere da diversi mesi fino addirittura a diversi anni, considerando i tempi necessari per ottenere i permessi e le approvazioni comunali. Confrontando le bande di spettro non soggette a licenza a 60 GHz con quelle delle onde millimetriche soggette a licenza, i costi delle apparecchiature impallidiscono di fronte al singolo fattore di costo più rilevante nell’uso dello spettro con licenza: il costo delle licenze stesse. Le aste per lo spettro a 24 GHz e 28 GHz negli Stati Uniti hanno generato 2,7 miliardi di dollari di entrate, provenienti principalmente dagli operatori di telefonia mobile di primo livello (Perrin, 2020).

La struttura dei costi associata all’implementazione di una rete mesh wireless a banda larga è illustrata nella figura qui sotto:

Struttura dei costi per l’implementazione di una B-WMN (BABLE, 2022)

Modelli operativi

Modelli operativi per le reti B-WMN (Egners, 2014).

Requisiti legali

• Direttiva 2013/752/UE: L'obiettivo principale di questo documento normativo è limitare i livelli di potenza di trasmissione per garantire che non interferiscano con altre apparecchiature wireless. Per i dispositivi a corto raggio che operano nella banda da 57 GHz a 66 GHz, il limite è fissato a 40 dBm di potenza isotropica equivalente irradiata (EIRP) e a 13 dBm/MHz di densità di EIRP. Le installazioni fisse all’aperto sono esentate dal rispetto di queste restrizioni. Inoltre, ciò garantirà che questi dispositivi a corto raggio non diventino una grave fonte di interferenza per i collegamenti di backhaul nella banda da 57 GHz a 64 GHz.
• ECC/REC/(09)01: Il Comitato per le comunicazioni elettroniche (ECC) all’interno della Conferenza europea delle amministrazioni postali e delle telecomunicazioni (CEPT) fornisce alcune raccomandazioni sull’uso della banda di frequenza da 57 a 64 GHz per i sistemi wireless fissi punto-punto. Fornisce inoltre i requisiti relativi alla potenza isotropica equivalente irradiata (EIRP) per i sistemi fissi punto-punto che operano in questa gamma di frequenze.
• ETSI EN 302 217-2: Norma europea armonizzata per i sistemi radio fissi; caratteristiche e requisiti per apparecchiature e antenne punto-punto; sistemi digitali che operano nelle bande di frequenza da 1,3 GHz a 86 GHz; e norme armonizzate relative ai requisiti essenziali di cui all’articolo 3, paragrafo 2, della direttiva 2014/53/UE.
• Regno Unito: Nel 2010 l’Office of Communications (OFCOM) del Regno Unito ha approvato l’uso senza licenza dello spettro tra 57 e 64 GHz. Sebbene l’assegnazione dello spettro segua lo standard della Federal Communications Commission (EIRP massimo di +55 dBm), la potenza condotta massima di +10 dBm e il guadagno minimo dell’antenna di +30 dBi si basano sullo standard europeo ETSI.

Dati e standard

• Standard WiGig: è noto anche come Wi-Fi a 60 GHz e si riferisce a un insieme di protocolli di rete wireless a 60 GHz. Comprende lo standard IEEE 802.11ad e lo standard IEEE 802.11ay. Le specifiche WiGig permettono ai dispositivi di comunicare senza cavi a velocità di diversi gigabit. Consentono applicazioni wireless ad alte prestazioni per dati, immagini e audio che integrano le funzionalità dei precedenti dispositivi LAN wireless.
• Standard WirelessHD: È noto anche come UltraGig ed è uno standard proprietario di Silicon Image (originariamente SiBeam) per la trasmissione wireless di contenuti video ad alta definizione destinati ai prodotti di elettronica di consumo. Si basa su un canale a 7 GHz nella banda radio a frequenza estremamente alta (EHF) a 60 GHz. Consente la trasmissione digitale sia leggermente compressa (codec proprietario sensibile al collegamento wireless) sia non compressa di segnali video, audio e dati ad alta definizione, rendendolo sostanzialmente equivalente a un HDMI wireless.
• IEEE 802.15.3c: Il primo standard wireless dell’IEEE nella banda dei 60 GHz (onde millimetriche). Offre tre modalità di livello fisico (PHY) per segmenti di mercato specifici, con velocità di trasmissione obbligatorie superiori a 1 Gb/s. Durante lo sviluppo dello standard, sono stati apportati anche nuovi contributi alla tecnologia delle comunicazioni wireless, tra cui un nuovo modello di canale, uno schema di beamforming basato su codebook e un metodo di aggregazione a bassa latenza.
• Specifiche ETSI ISG per la trasmissione a onde millimetriche (MWT): L’Istituto europeo per le norme di telecomunicazione (ETSI) ha pubblicato diversi white paper e specifiche di gruppo, oltre ad aver esaminato le normative mondiali relative alla banda V (da 57 a 66 GHz) e alla banda E (da 71 a 86 GHz), la maturità tecnologica, le applicazioni e i casi d’uso della trasmissione a onde millimetriche.