Rete mesh wireless a banda larga

Descrizione

La connettività Broadband Wireless Mesh Network (B-WMN) è diventata uno degli aspetti essenziali dell'infrastruttura delle smart city. Nonostante l'abbondante disponibilità di fibra ottica negli ambienti urbani, fornire un'infrastruttura cablata per qualsiasi servizio digitale è un'impresa costosa che richiede un'attenta pianificazione e che spesso si traduce in strutture statiche e poco flessibili. L'implementazione di soluzioni rapide e flessibili comporta notevoli disagi per la vita civile e costi elevati. Le B-WMN mirano a superare questi problemi minimizzando e/o eliminando la necessità di infrastrutture cablate e utilizzando le infrastrutture cittadine esistenti come piattaforme per la loro distribuzione ( Egners et al., 2013).

Le B-WMN hanno bassi costi di installazione e manutenzione e facilitano la connessione a tutti i luoghi possibili in ambienti urbani o rurali, indipendentemente dalla complessità della portata. 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 e la rete per le emergenze e i disastri (Salah & Salleh, 2013). I responsabili 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 mesh possono essere montati anche su lampioni, semafori e altri oggetti in movimento; questo crea l'opportunità di collegare alla rete mesh diversi dispositivi in caso di emergenza (BasuMallick, 2022).

La B-WMN è un'infrastruttura che consiste in una rete di router che comunicano tra loro in modalità wireless a velocità gigabit (simile alla fibra). Si tratta di nodi radio che non devono essere collegati a una porta cablata come i punti di accesso wireless convenzionali (Parvin, 2019). Le B-WMN hanno guadagnato sempre più attenzione come mezzo interessante per fornire una connettività diffusa a complemento dell'accesso offerto dai normali fornitori di servizi Internet (ISP). La topologia a maglie delle B-WMN offre un'elevata flessibilità, un'affidabilità fino al 99,999% e una latenza inferiore a 2ms, ideale per le applicazioni in tempo reale ad alta larghezza di banda, rendendo così responsabile un'infrastruttura fisica che consente di instradare e trasportare in modo flessibile le connessioni (Matos et al., 2011).

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

Problemi da risolvere

Modello di valore

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 smart city può essere modellata come un'unione di molte "sottoreti", ognuna delle quali è dedicata alla gestione di un particolare aspetto del monitoraggio complessivo della città e si basa sull'utilizzo di diversi sistemi di comunicazione con tecnologie eterogenee (Cilfone et al., 2019).

Attraverso una rete mesh wireless a banda larga, ogni nodo comunica con ogni altro nodo e ogni nodo riceve dati da un nodo e li inoltra al nodo successivo. I fattori che le città devono prendere in considerazione prima di implementare le B-WMN includono:

• Arredo urbano: L'esistenza di arredi urbani facilita l'implementazione delle B-WMN, ad esempio i lampioni e i semafori.
• Linea di vista: Le reti mesh a banda larga che operano nella gamma mmWave (compresi i 60 GHz) richiedono un mezzo di trasmissione in linea di vista, il che significa che le estremità di trasmissione e ricezione del collegamento devono avere una visibilità reciproca per garantire la trasmissione. Alberi, edifici e altre ostruzioni tra le estremità di trasmissione e ricezione riducono l'affidabilità o eliminano del tutto la connettività del collegamento. Per questo motivo, 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 le topografie variano da percorso a percorso. È quindi necessario effettuare un'attenta pianificazione del sito per comprendere le eventuali limitazioni esistenti in base al contesto locale.
• Norme e regolamenti: Gli standard stabiliti dalle autorità centrali e dagli enti normativi applicabili devono essere esaminati per garantirne la conformità.

Fattori di supporto

I fattori di supporto per le B-WMN includono:

• Facilità di installazione: Con l'accesso all'energia elettrica e ai pali, l'installazione e la messa in funzione del sito possono essere effettuate in meno di 30 minuti, rispetto ai mesi di tempo necessari per l'installazione di nuove reti in fibra o altre forme di reti cablate.
• Miglioramento dell'accesso ai dati: Rete dati scalabile che consente di utilizzare WiFi, LTE/5G privato e accesso wireless fisso.
• Miglioramento del rilevamento: Telecamere, sensori per la salute e l'ambiente, gestione del traffico, ecc.
• Migliore trasporto dei dati: Reti di trasporto in superficie
• Applicazioni del prossimo futuro: Veicoli autonomi e reti di droni per l'assistenza predittiva

Iniziative del governo

Le iniziative governative che sostengono la diffusione di tecnologie che consentono la connettività ad alta velocità e l'accesso digitale comprendono:

• La strategia digitale dell'UE: La strategia della Commissione europea per plasmare il futuro digitale dell'Europa. Per i prossimi cinque anni, la Commissione si concentrerà su tre obiettivi chiave per garantire che le soluzioni digitali aiutino l'Europa a percorrere la propria strada verso una trasformazione digitale che vada a vantaggio delle persone. Questi obiettivi comprendono: 1) Sviluppo e diffusione di una tecnologia che funzioni per le persone 2) Un'economia equa e competitiva - un mercato unico privo di attriti in cui le aziende di ogni dimensione e settore possano competere ad armi pari 3) Una società aperta, democratica e sostenibile - un ambiente affidabile in cui i cittadini abbiano la possibilità di agire e interagire e di utilizzare i dati che forniscono sia online che offline(Commissione Europea).
• Programma Europa Digitale: il nuovo programma di finanziamento dell'UE incentrato sull'introduzione della tecnologia digitale nelle imprese, nei cittadini e nelle amministrazioni pubbliche. L'obiettivo è accelerare la ripresa economica e dare forma alla trasformazione digitale della società e dell'economia europea, portando benefici a tutti, ma in particolare alle piccole e medie imprese. Nell'ambito di questo programma vengono sostenuti progetti in cinque aree di capacità chiave: supercalcolo, intelligenza artificiale, sicurezza informatica, competenze digitali avanzate e garanzia di un ampio uso delle tecnologie digitali nell'economia e nella società, anche attraverso i Digital Innovation Hubs(Commissione Europea).
• Iniziativa Next Generation Internet (NGI): Un'iniziativa europea che mira a plasmare la futura Internet come un ecosistema di piattaforme interoperabili che incarna i valori cari all'Europa: apertura, inclusività, trasparenza, privacy, cooperazione e protezione dei dati(Commissione Europea). La NGI guiderà la rivoluzione tecnologica e garantirà l'adozione progressiva di concetti e metodologie avanzate che abbracciano i domini dell'intelligenza artificiale, dell'Internet degli oggetti, delle tecnologie interattive e altro ancora, contribuendo a rendere l'Internet del futuro più incentrato sull'uomo.
• La strategia dell'UE per la banda larga: La Commissione europea sostiene le imprese, i responsabili di progetto e le autorità dell'UE nell'aumentare la copertura di rete per raggiungere gli obiettivi della Gigabit Society dell'UE. Broadband Europe promuove la strategia della Commissione sulla connettività per una società europea dei Gigabit entro il 2025 e la visione del Decennio Digitale per la trasformazione digitale dell'Europa entro il 2030, al fine di connettere i cittadini e le imprese europee con reti ad altissima capacità, che consentiranno di offrire prodotti, servizi e applicazioni innovativi a tutti i cittadini e alle imprese dell'UE(Commissione Europea).

Mappatura degli stakeholder

Mappa degli stakeholder per un sistema B-WMN (BABLE, 2022)

Potenziale di mercato

Il mercato globale delle città intelligenti è stato valutato a 392,9 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 1380,21 miliardi di dollari entro il 2030 con un CAGR del 12,1% nel periodo 2020-2030 (NMSC, 2022). Le città e i cittadini chiedono una migliore connettività. La WMN come soluzione per le città intelligenti, che comprende una rete di comunicazione distribuita tra diversi nodi mesh wireless, risponde a questa esigenza. Queste tecnologie di rete offrono un vantaggio significativo rispetto alle reti wireless tradizionali, in quanto non necessitano di cavi Ethernet o di qualsiasi forma di cablaggio fisico ad eccezione del nodo sorgente. La rete mesh wireless è autoconfigurante e consente l'integrazione di nuovi nodi mesh in modo automatico senza la necessità di amministrare la rete. (Global Market Insights, 2019).

Le dimensioni del mercato delle reti mesh wireless hanno superato i 2 miliardi di dollari nel 2019 e sono destinate a crescere a un tasso CAGR superiore al 15% tra il 2020 e il 2026. La crescita del mercato è attribuita alla crescente diffusione delle reti mesh wireless grazie alle loro affidabili funzionalità di rete, tra cui una più rapida trasmissione dei dati e una più facile implementazione della rete (Global Market Insights, 2019).

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

Struttura dei costi

Secondo Heavy Reading(Perrin, 2020), la frequenza di 60 GHz si confronta positivamente con le opzioni di spettro in fibra ottica (FTTP) e in mmWave con licenza, anche se il costo delle apparecchiature non è il fattore principale in entrambi i casi. Per quanto riguarda la costruzione di FTTP, Ovum stima che nei paesi ad alto costo di manodopera, i costi di costruzione della rete possono rappresentare l'80% o più dei costi totali della rete FTTP. Ad esempio, i dati della Federal Communications Commission (FCC) degli Stati Uniti relativi ai costi di costruzione della fibra per chilometro variano ampiamente da 20.000 a 100.000 dollari e oltre, a seconda che si tratti di fibra aerea, di condotti esistenti o di costruzioni completamente nuove. Tuttavia, Heavy Reading ritiene che la maggior parte delle decisioni relative alla fibra rispetto alla mmWave non si baserà sull'analisi dei costi.

Piuttosto, gli operatori sceglieranno l'mmWave quando la fibra non è semplicemente un'opzione o quando la rapidità del time to market è una considerazione fondamentale. Come già detto, i progetti di costruzione della fibra ottica possono durare da diversi mesi ad anni, visti i tempi di autorizzazione e di approvazione da parte delle città. Se si confrontano i costi delle apparecchiature con quelli delle bande di frequenza mmWave, il fattore più importante nell'utilizzo dello spettro con licenza è il costo delle licenze stesse. Le aste per lo spettro a 24 GHz e 28 GHz negli Stati Uniti hanno generato entrate per 2,7 miliardi di dollari, principalmente da parte degli operatori mobili di livello 1 (Perrin, 2020).

La struttura dei costi associati all'implementazione di una rete mesh wireless a banda larga è riportata nella figura seguente:

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

Modelli operativi

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

Requisiti legali

• Direttiva 2013/752/UE: L'obiettivo principale del documento normativo è quello di limitare i livelli di potenza di trasmissione per garantire che non interferiscano con altre apparecchiature wireless. Nel caso dei dispositivi a corto raggio che operano nella banda da 57 GHz a 66 GHz, sono limitati a 40 dBm di potenza equivalente irradiata isotropicamente (EIRP) e a 13 dBm/MHz di densità EIRP. Le installazioni fisse all'aperto sono escluse dal rispetto di queste restrizioni. Inoltre, si garantirà che questi dispositivi a corto raggio non diventino una grave fonte di interferenze per i collegamenti di backhaul nella banda da 57 GHz a 64 GHz.
• ECC/REC/(09)01: il Comitato per le Comunicazioni Elettroniche (ECC) della Conferenza Europea delle Amministrazioni delle Poste e delle Telecomunicazioni (CEPT) fornisce alcune raccomandazioni sull'uso della banda di frequenza 57-64 GHz per i sistemi wireless fissi punto-punto. Fornisce inoltre i requisiti di Potenza Isotropica Radiata Equivalente (EIRP) per i sistemi fissi punto-punto che operano in questa gamma di frequenze.
• ETSI EN 302 217-2: Norma europea armonizzata per sistemi radio fissi; caratteristiche e requisiti per apparecchiature e antenne punto-punto; sistemi digitali operanti nelle bande di frequenza da 1,3 GHz a 86 GHz; e norme armonizzate che coprono i requisiti essenziali dell'articolo 3.2 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 57-64 GHz. Sebbene l'allocazione dello spettro segua lo standard della Federal Communications Commission (EIRP massimo di +55 dBm), la potenza massima condotta di +10 dBm e il guadagno minimo dell'antenna di +30 dBi sono modellati in base allo standard europeo ETSI.

Dati e standard

• Standard WiGig: È noto anche come Wi-Fi a 60 GHz e si riferisce a una serie di protocolli di rete wireless a 60 GHz. Include lo standard IEEE 802.11ad e lo standard IEEE 802.11ay. La specifica WiGig consente ai dispositivi di comunicare senza fili a velocità multi-gigabit. Consente applicazioni wireless ad alte prestazioni per dati, display e audio che integrano le capacità dei precedenti dispositivi LAN wireless.
• Standard WirelessHD: Conosciuto anche come UltraGig, è uno standard proprietario di Silicon Image (originariamente SiBeam) per la trasmissione wireless di contenuti video ad alta definizione per prodotti di elettronica di consumo. Si basa su un canale a 7 GHz nella banda radio Extremely High Frequency a 60 GHz. Consente la trasmissione digitale leggermente compressa (codec proprietario wireless link-aware) o non compressa di segnali video, audio e dati ad alta definizione, rendendola sostanzialmente equivalente a una HDMI wireless.
• IEEE 802.15.3c: Il primo standard wireless dell'IEEE nella banda dei 60 GHz (onde millimetriche). Prevede tre modalità di livello fisico (PHY) per specifici segmenti di mercato, con velocità di trasmissione dati obbligatorie superiori a 1Gb/s. Durante lo sviluppo dello standard sono stati apportati nuovi contributi alla tecnologia di comunicazione 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 gli Standard di Telecomunicazione ha pubblicato diversi white paper e specifiche di gruppo e ha esaminato le normative mondiali per la banda v (da 57 a 66 GHz) e la banda e (da 71 a 86 GHz), la maturità tecnologica, le applicazioni e i casi d'uso della trasmissione a onde millimetriche.