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La rete mobile di quinta generazione (5G) non è una sostituzione a distanza pulita di 4G LTE; è un'evoluzione progettata per operare a fianco dell'infrastruttura esistente per anni a venire. Questa coesistenza - conosciuta come architettura non-standalone (NSA) - permette agli operatori di sfruttare la loro base installata di hardware 4G, offrendo soluzioni di core mobile potenziate, comunicazioni a bassa latenza ultra-rilievi e la connettività di tipo macchina-macchina.
Le sfide chiave di ingegneria nell'integrazione 5G‐4G
L'integrazione di 5G con 4G LTE richiede l'armonizzazione di due tecnologie radio fondamentalmente diverse, ognuna con la propria forma d'onda, numerologia e stack di protocolli. Le sfide principali possono essere raggruppate in coesistenza di radiofrequenza, compatibilità hardware, complessità di architettura di rete, garanzie di latenza e affidabilità, capacità di backhaul e considerazioni di sicurezza/interworking.
Gestione della coesistenza e dell'interferenza dello spettro
5G NR è stato progettato per operare da sotto 1 GHz a oltre 50 GHz, mentre 4G LTE occupa frequenze tra 700 MHz e 3,8 GHz. Quando entrambe le tecnologie condividono la stessa banda di licenza — spesso il caso nelle prime implementazioni 5G — un coordinamento attento è richiesto per evitare interferenze comuni.
Limitazioni di hardware e di infrastruttura del sito
Le stazioni di base 4G tipicamente ospitano unità radio legacy, antenne e connessioni backhaul che non sono state progettate per le larghezze di banda più ampie e requisiti di latenza inferiori di 5G. L'aggiornamento di ogni sito è di capitale-intensivo e logisticamente impegnativo. Un approccio comune è quello di distribuire teste radio remote multi-mode (RRHs) che supportano sia i segnali LTE e NR dallo stesso hardware, spesso utilizzando un'unità di elaborazione digitale condivisa.
Complessità di Architettura di rete: NSA vs. SA
Il progetto di partenariato di terza generazione (3GPP) ha definito due architetture primarie per la distribuzione 5G: Non-Standalone (NSA) e Standalone (SA). In modalità NSA (Option 3x/3a), la radio 5G è ancorata ad un'esistente piattaforma di monitoraggio di velocità 4G Evolved Packet Core (EPC) per la gestione dell'aggiornamento, mentre i dati utente possono essere suddivisi tra LTE e NR: una configurazione nota come EN‐DC (E‐U-U-U-R)
Garanzia di sicurezza e affidabilità
5G promette le latencies end-to-end a partire da 1 ms per le comunicazioni ultra-reliable a bassa latenza (URLLC), mentre 4G LTE tipicamente offre 10-20 ms. Raggiungere questi obiettivi in un ambiente di dual-connectivity non è-triviale. La natura a pacchetto del core 4G introduce ritardi di domanda e latenza di carico che può superare 5GRME
Strain della rete di trasporto e di backhaul
La banda multi-GV (fino a 100 MHz per vettore in sub-6 GHz e 400 MHz in mmWave) e la massa MIMO generano tassi di dati che possono sovrastare i collegamenti esistenti di backhaul se non vengono aggiornati. Molti siti 4G sono collegati al micro-ooonde o a collegamenti in fibra avanzata forniti per 100 Mbps-1 Gbps aggregati.
Consumo di energia e gestione termica
L'aggiunta di radio 5G ai siti 4G esistenti aumenta significativamente il consumo energetico totale. Le massicce serie MIMO con 64 o 128 elementi antenna possono disegnare 2–3 kW per unità, rispetto a 1 kW per una tipica radio 4G. Combinato con l'hardware LTE esistente, i bilanci di potenza del sito superano spesso i feed AC disponibili, il backup della batteria e la capacità di raffreddamento.
Vulnerabilità di sicurezza e di lavoro
L'integrazione di due generazioni di reti mobili espande la superficie di attacco. Il piano di controllo della dual-connesstività in modalità NSA attraversa sia le gambe LTE che quelle NR, rendendo i messaggi di segnalazione soggetti a intercettazione o modifica se non correttamente crittografati.
Mobilità e continuità del servizio
L’integrazione vocale di NSA, che non richiede una connessione primaria a LTE (per il controllo) e può aggiungere o rimuovere un vettore NR secondario. Tuttavia, quando il segnale NR si degrada, la rete deve attivare un “SG (Secondary Cell Group) rilascio” e continuare con LTE solo.
Soluzioni e migliori pratiche per l'integrazione senza cuciture
Gli operatori e i fornitori di reti hanno sviluppato un kit di tecnologie e strategie di distribuzione per superare queste sfide, le seguenti soluzioni sono ampiamente adottate nelle reti commerciali.
Condivisione dinamica dello spettro (DSS) Ottimizzazione
DSS permette a LTE e NR di occupare lo stesso vettore programmando i loro blocchi di risorse in modo multisala di tempo. Le implementazioni moderne del DSS utilizzano la stima del traffico in tempo reale e l'apprendimento della macchina per regolare dinamicamente la divisione tra le risorse LTE e NR. Ad esempio, quando il traffico NR è basso, più blocchi di risorse sono assegnati a LTE per mantenere le prestazioni legacy.
Hardware Dual-Mode e Multi-Band
Le unità a banda larga moderne e le teste radio sono progettate per supportare sia LTE che NR simultaneamente sulla stessa piattaforma hardware. Ad esempio, i chipset a banda base che funzionano sia con pila PHY su una risorsa di calcolo condivisa possono distribuire dinamicamente la capacità di elaborazione basata sul carico.
Virtualizzazione della rete e eliminazione
Virtualization decouples network works from dedicato hardware, consentendo al 4G EPC e al 5G Core di funzionare sulla stessa infrastruttura cloud. Network slicing consente all’operatore di creare più reti logiche, ciascuna ottimizzata per diversi tipi di servizio (ad esempio, eMBB, URLLC, mMTC) — su una rete fisica condivisa.
Multi-Access Edge Computing (MEC)
Per l'integrazione 5G‐4G, le piattaforme MEC sono spesso dispiegate nel punto di aggregazione in cui il traffico LTE e NR converge – tipicamente nel gateway del sito o nel centro dati regionale, consentendo un trattamento ultra-basso di latenza per entrambe le tecnologie di accesso. Inoltre, MEC può ospitare la virtualizzazione per funzioni di rete come UPFplan (Passaggi di rete).
Reti auto-organizzanti (SON) per Multi-RAT
Le funzionalità SON, originariamente sviluppate per LTE, sono state estese per gestire la coesistenza 5G‐4G. Le funzionalità come la relazione automatica del vicino (ANR), il bilanciamento del carico di mobilità (MLB), e l'ottimizzazione della copertura e della capacità (CCO) ora considerano sia le celle LTE che quelle NR. Ad esempio, un motore SON può rilevare che una cella LTE è sovraccaricata mentre una cella di traffico 5G con capacità di avanzamento di avanzamento è ridotta, è possibile effettuare chiamate di ricambio.
Multi-Point coordinato (CoMP) e Aggregazione Carrier
L'aggregazione di vettore (CA) attraverso i vettori LTE e NR – noto come LTE‐NR DC (connettività doppia) o EN‐DC – à ̈ la tecnica di base per le prime implementazioni 5G. 3GPP Release 15 ha definito EN‐DC dove la cella LTE agisce come il nodo master (MN) e la cella NR come nodo secondario (SN-TE).
Sistemi di antenna avanzati e gestione del vapore
L'impiego di sistemi di distribuzione MTE e di sistemi di distribuzione di sistemi di trasmissione di dati MTE e NR. In applicazioni integrate, la stessa massiccia gamma MIMO può servire i dispositivi LTE utilizzando i codebook legacy e i dispositivi NR utilizzando il teletrasporto avanzato con la diversità di ritardo ciclico (CDD).
Backhaul Aggiornamenti e Trasporto Slicing
Per gestire la maggiore capacità, gli operatori stanno aggiornando il backhaul dal microonde alla fibra, laddove possibile, e utilizzando la modulazione di ordine superiore (ad esempio, 256-QAM a 4096‐QAM) sui collegamenti a microonde esistenti.
Esempi di distribuzione reale-mondiale
Diversi operatori principali hanno già implementato reti integrate 5G‐4G, fornendo lezioni di valore.
5G Ultra Wideband di Verizon (mmWave + LTE)
Verizon ha implementato 5G con mmWave (28 GHz e 39 GHz) in aree urbane dense, affidandosi a LTE per il rientro di copertura. La rete utilizza la banda EN‐DC (Option 3x) dove l'ancoraggio LTE controlla il segnale e NR fornisce dati ad alta velocità. Verizon ha riferito che la banda DSS nella banda 850 MHz ha permesso una transizione senza soluzione di continuità tra mmW-TE 5G e LTE, anche con C
Integrazione a medio-basso da 2,5 GHz di T-Mobile
T-Mobile (ora fusa con Sprint) ha sfruttato la banda da 2,5 GHz, originariamente utilizzata per LTE, per distribuire 5G NR utilizzando DSS e infine il NR completo su un vettore dedicato.
Cina Mobile di distribuzione massiccia
China Mobile ha distribuito 5G SA (Standalone) fin dall'inizio, ma ha mantenuto l'interoperabilità con 4G. Hanno usato NR su 2.6 GHz con MMO massiccio e dual-connessione con LTE su 1.9 GHz e 1,8 GHz. Il loro approccio ha coinvolto l'aggiornamento di ogni stazione di base per supportare sia LTE che 5G NR sullo stesso hardware (basato su 3GPP Option 2).
Prospettive future: Verso standalone e oltre
L'industria si sta muovendo costantemente da NSA (Opzione 3x/3a/7x) a SA (Opzione 2/5) architetture. SA elimina la dipendenza dal 4G EPC, consentendo il pieno controllo su 5G caratteristiche come la rete nativa slicing, maggiore efficienza attraverso il nucleo cloud-nativo e semplificata mobilità inter-ens-N-Advan-TE sarà graduale; molti operatori continueranno a gestire 17 anni di rete misto
Le iniziative di ricerca a lungo termine 6G mirano a tecnologie di accesso radio unificato che supportano intrinsecamente forme d'onda flessibili e l'architettura O‐RAN: potenzialmente semplificano il cambiamento di generazione successiva.
Conclusioni
Integrare 5G con le reti LTE esistenti è un'impresa di ingegneria multiforme che tocca la gestione dello spettro, l'implementazione hardware, l'architettura di rete, il controllo della latenza e la sicurezza. Le sfide sono significative, ma le soluzioni - ottimizzazione DSS, hardware multi-mode, fondazione virtuale, MEC, SON, antenne e aggiornamenti di trasporto - forniscono un percorso chiaro in avanti.