La tecnologia wireless sta evolvendo rapidamente per rendere possibile una connettività ovunque, indipendentemente da dove ci si trovi nel mondo. Questo white paper analizza le tendenze della connettività wireless e le sfide progettuali, mostrando come gli ingegneri delle telecomunicazioni possano utilizzare MATLAB® e Simulink® per progettare, modellare, simulare e testare le moderne reti wireless.
Le comunicazioni wireless consentono la connettività Internet ad alta velocità, le chiamate telefoniche mobili e le connessioni Internet of Things (IoT) nelle fabbriche intelligenti. Questa connettività ubiqua è resa possibile da un'ampia gamma di tecnologie wireless, tra cui reti globali a larga area (collegamenti satellitari), reti cellulari a larga area (5G e 5G Advanced), reti Wi-Fi ® a area locale e reti a area personale come Bluetooth® e ZigBee®.
Figura 1. La connettività ubiqua è l'obiettivo della comunicazione wireless, che coinvolge diversi tipi di reti wireless.
MATLAB e i toolbox per le comunicazioni wireless consentono agli ingegneri di progettare, modellare, simulare, testare, validare e prototipare sistemi di connettività wireless. Gli ingegneri wireless possono utilizzare questi prodotti per generare e analizzare forme d'onda basate su standard, misurare le prestazioni a livello di collegamento e creare modelli di riferimento d'eccellenza per verificare la conformità agli standard. I workflow di sviluppo includono la prototipazione di algoritmi per transceiver in MATLAB o in HDL, con le relative piattaforme di radio definite dal software (SDR). Gli ingegneri possono anche simulare e analizzare la coesistenza tra molti sistemi wireless che possono interferire tra loro. Le funzioni dei toolbox sono completamente personalizzabili, consentendo ai team di accelerare le implementazioni e di scoprire le più recenti tecnologie satellitari, 5G, WLAN e Bluetooth.
Nelle sezioni seguenti, scopriremo varie tecnologie di connettività ubiqua insieme agli standard pertinenti, alle sfide e alle risorse che consentono agli ingegneri di modellare, simulare, analizzare, progettare e testare queste reti.
Connettività cellulare (dal 5G al 5G Advanced fino al 6G)
L'ente standard responsabile per le comunicazioni mobili cellulari è il 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Dall'inizio di questo secolo, il 3GPP è stato responsabile della standardizzazione dei sistemi e delle reti 3G, 4G (cioè LTE), 5G e 5G Advanced. Recentemente, il 3GPP ha intrapreso la standardizzazione del 6G, la prossima generazione di sistemi di comunicazioni mobili.
Diagramma di radiazione di un’antenna phased array a terra.
Il 5G NR è progettato per fornire assistenza a tre casi d'uso:
- Banda larga mobile potenziata: offre velocità di dati e capacità di rete significativamente superiori rispetto alle precedenti generazioni (LTE).
- Comunicazioni ultra-affidabili a bassa latenza: concentrandosi nel fornire la reattività in tempo reale e l'affidabilità essenziali per applicazioni critiche per la sicurezza come la telemedicina, le città intelligenti e le fabbriche intelligenti.
- Comunicazioni massicce di tipo machine-to-machine: consente implementazioni IoT su larga scala con milioni di dispositivi connessi.
5G Advanced va oltre i casi d'uso offerti dal 5G e include i seguenti casi d'uso:
- Connettività ubiqua: l'integrazione con le reti satellitari per la copertura globale utilizza satelliti e piattaforme ad alta quota per estendere la copertura 5G alle aree remote e rurali, agli oceani e allo spazio aereo.
- Rilevamento e comunicazione integrati (ISAC): le reti possono comunicare e percepire simultaneamente il loro ambiente, offrendo localizzazione e tracking ad alta precisione.
- Integrazione di intelligenza artificiale (IA) e Machine Learning: l'intelligenza artificiale e il Machine Learning sono integrati in tutta la rete per consentire un'allocazione dinamica delle risorse, un'ottimizzazione predittiva e un'adattabilità in tempo reale, rendendo la rete wireless più efficiente.
I sistemi 6G, attualmente in fase di sviluppo, estenderanno le capacità del 5G Advanced. L’ITU sta lavorando al documento IMT-2030 per la prossima generazione di sistemi 6G, che include tecnologie come l’integrazione tra intelligenza artificiale e comunicazioni, ISAC, copertura pervasiva tramite reti non terrestri (NTN) e progettazione di reti sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico.
In evidenza: 5G Toolbox
Simula collegamenti e sistemi 5G NR con forme d'onda basate sugli standard aggiornate ad ogni release 3GPP. Genera forme d'onda, esegui simulazioni a livello di sistema, esegui test di conformità e altro ancora, tutto da MATLAB.
5G Toolbox supporta inoltre tecniche di ottimizzazione wireless basate sull'intelligenza artificiale e include una Exploration Library 6G per la prototipazione delle tecnologie candidate di prossima generazione.
Lo sviluppo di sistemi e reti 5G Advanced e 6G efficienti è una sfida complessa e comporta requisiti progettuali rigorosi per realizzare i nuovi casi d’uso. MATLAB e i suoi strumenti basati su standard, come 5G Toolbox™, possono essere utilizzati per simulare a livello di collegamento e di sistema. Poiché 5G Toolbox si aggiorna con le evoluzioni degli standard 5G a ogni release del 3GPP, semplifica le attività di verifica della progettazione e di test di conformità agli standard.
Il 6G sta esplorando la possibilità di sostituire interi blocchi della catena di elaborazione del segnale, come la stima del canale e l’equalizzazione, con modelli di Machine Learning addestrati.
Integrazione nativa di IA e Machine Learning:
- La progettazione del livello fisico (PHY) deve integrare l’intelligenza artificiale e il Machine Learning per migliorare le prestazioni in aree come la stima del canale, la gestione dei fasci e l’ottimizzazione della rete. A differenza del 5G, che utilizza principalmente l'AI per l'ottimizzazione, il 6G sta esplorando la sostituzione di interi blocchi della catena di elaborazione del segnale, come la stima del canale e l'equalizzazione, con modelli di Machine Learning addestrati. Questo approccio mira a creare un livello fisico (PHY) completamente nativo dell'intelligenza artificiale.
- Approfondisci questi concetti consultando gli esempi MATLAB allegati:
Massive MIMO avanzato e cell-free:
- La progettazione di sistemi massive MIMO ancora più avanzati richiede la gestione di array di antenne più grandi e algoritmi di beamforming più complessi. Il livello fisico (PHY) deve gestire l’aumento del carico di elaborazione e dell’overhead di segnalazione associato a configurazioni di antenne ad alta dimensionalità. Un altro ambito di sviluppo molto promettente è l’architettura cell-free proposta per i sistemi 6G, in cui gli utenti si collegano simultaneamente a più punti di accesso distribuiti.
- Approfondisci questi concetti consultando gli esempi MATLAB allegati:
ISAC:
- I sistemi ISAC richiedono che il PHY fornisca assistenza sia alle funzioni di comunicazione sia a quelle di rilevamento accurato simultaneamente. Ciò significa che entrambe le funzioni utilizzano le stesse forme d'onda, operano alla stessa frequenza e impiegano lo stesso hardware senza compromettere le prestazioni. L’ISAC è concepito come una componente fondamentale dei sistemi 6G, con l’obiettivo di raggiungere una precisione a livello centimetrico nel posizionamento e un rilevamento ambientale ad alta risoluzione.
- Approfondisci questi concetti consultando gli esempi MATLAB allegati:
Attualmente ci sono più di 8.000 satelliti per le comunicazioni in orbita attorno alla Terra che servono applicazioni quali trasmissione televisiva e radiofonica, navigazione, telemetria, imaging e telerilevamento, e questo numero è in continua crescita.
Le comunicazioni satellitari, in particolare le NTN, stanno emergendo come tecnologie abilitanti importanti per una connettività ubiqua. Attualmente ci sono più di 8.000 satelliti per le comunicazioni in orbita attorno alla Terra che servono applicazioni quali trasmissione televisiva e radiofonica, navigazione, telemetria, imaging e telerilevamento, e questo numero è in continua crescita. I satelliti per le comunicazioni rientrano solitamente in una delle tre classificazioni orbitali: orbita geostazionaria (GEO), orbita terrestre media (MEO) e orbita terrestre bassa (LEO).
L'uso delle costellazioni di satelliti LEO per la connettività wireless è una tendenza emergente. Con un'altitudine orbitale che varia da 160 a 1.000 km sopra la superficie terrestre, questi sistemi sono destinati a fornire connettività internet ad alta velocità in qualsiasi parte della Terra. Ad esempio, il sistema Starlink ha già migliaia di satelliti in orbita e prevede di lanciarne migliaia in più.
In evidenza: Satellite Communications Toolbox
Satellite Communications Toolbox di MathWorks offre strumenti per progettare, simulare e verificare sistemi di comunicazione satellitare, includendo la propagazione delle orbite, l’analisi del link budget e la generazione di forme d’onda per standard come DVB-S2/S2X/RCS2, GPS, Galileo, NavIC e CCSDS.
La realizzazione di sistemi di comunicazione satellitare è complessa, costosa e ad alto rischio. Le principali sfide riguardano il lancio e la messa in orbita, la sicurezza e la resilienza, i modelli economici e di business e le questioni ambientali. Nella sezione seguente vengono presentate le sfide specifiche delle comunicazioni, insieme a esempi MATLAB pertinenti che ne illustrano le soluzioni:
Sfida: Pianificazione della missione e conformità normativa
- Assegnazione delle posizioni orbitali e delle frequenze tramite l’ITU e le autorità regolatorie nazionali.
- Coordinamento per evitare interferenze con i sistemi esistenti.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Progettazione tecnica e integrazione
- Chiusura del budget di collegamento in presenza di condizioni atmosferiche variabili, come attenuazione dovuta alla pioggia e scintillazione, che possono degradare la potenza del segnale.
- Le antenne devono garantire un guadagno elevato e un beamforming preciso, rispettando al contempo i vincoli di dimensioni, peso e potenza.
- Complessità del payload (ad esempio, processori digitali, architetture rigenerative vs. bent-pipe).
- Collegamenti inter-satellitari e temporizzazione/sincronizzazione per grandi costellazioni.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Prestazioni in ambienti difficili
- L'attenuazione atmosferica nelle bande superiori (Ka, Q/V) e la necessità di codifica/modulazione adattativa, controllo della potenza in uplink e diversità del sito.
- Vincoli di latenza vs. selezione dell'orbita (compromessi LEO/MEO/GEO).
- L’effetto Doppler e i frequenti handover nelle reti LEO rendono essenziali il beam hopping e la pianificazione delle risorse per mantenere una connettività continua.
Esempi di MATLAB:
Figura 2. La costellazione di satelliti LEO NTN presenta il routing inter-satellitare.
Il Wi-Fi è la tecnologia wireless più utilizzata al mondo. Le reti Wi-Fi forniscono connettività internet nelle nostre case, sul posto di lavoro e durante i viaggi (negli aeroporti, negli stadi e in altri luoghi pubblici). Le reti Wi-Fi operano collegando i dispositivi degli utenti a un punto di accesso (AP) router basato sulla famiglia di standard IEEE 802.11. Questi standard per le reti locali wireless (WLAN) specificano sia il livello fisico (PHY) sia il livello di controllo di accesso al mezzo (MAC) del modello OSI.
Il Wi-Fi 8 (802.11bn) è progettato per una maggiore affidabilità, ad esempio nella produzione o nella chirurgia assistita da robot. Wi-Fi 7 (802.11be) offre velocità più elevate e utilizza larghezze di banda di frequenza più ampie.
Wi-Fi 6, 7 e 8 sono tra le più recenti tecnologie WLAN progettate per una connettività internet affidabile e ad alta velocità.
- Wi-Fi 6 (802.11ax) offre prestazioni superiori in ambienti ad alta densità grazie all'impiego di tecnologie di accesso multiple come OFDMA e MU-MIMO.
- Wi-Fi 7 (802.11be) è progettato per velocità più elevate e utilizza larghezze di banda di frequenza più ampie (fino a 320 MHz), offrendo velocità di trasmissione massime fino a 46 Gbps.
- Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn) è in fase di sviluppo e si concentrerà sulla priorità di un'affidabilità ultra-elevata, una latenza ridotta e prestazioni costanti.
Lo sviluppo di sistemi e reti Wi-Fi efficienti presenta sfide e richiede elevata affidabilità, gestione della congestione e coesistenza con altre reti. Gli ingegneri possono utilizzare MATLAB per simulare molti di questi scenari complessi ed esplorare lo spazio di progettazione delle possibili soluzioni di mitigazione.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Coesistenza Bluetooth-Wi-Fi
I dispositivi Bluetooth nella banda di frequenza a 2,4 GHz e i dispositivi Bluetooth Low Energy (BLE) nella banda a 6 GHz possono interferire con le reti Wi-Fi. L'interferenza tra Bluetooth e WLAN può essere mitigata mediante meccanismi di coesistenza non collaborativi e collaborativi.
- I meccanismi di coesistenza non collaborativi non prevedono lo scambio di informazioni tra due reti wireless.
- I meccanismi di coesistenza collaborativa collaborano e scambiano informazioni relative alla rete tra due reti wireless.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Migliori prestazioni in ambienti congestionati
In ambienti densi (come stadi e centri congressi) molti dispositivi si connettono simultaneamente alle reti Wi-Fi. Ciò può ridurre la capacità totale della rete e sovraccaricare le allocazioni delle risorse nei punti di accesso (AP). Wi-Fi 6, 7 e 8 impiegano diverse tecniche derivate dalla tecnologia mobile cellulare per migliorare le prestazioni con una maggiore densità di utenti e dispositivi:
- Accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA): divide un canale in sottocanali più piccoli per servire simultaneamente di più dispositivi.
- Multi-utente multiple-input multiple-output (MU-MIMO): consente a un access point (AP) di inviare e ricevere dati da più dispositivi contemporaneamente, condividendo la stessa risorsa in frequenza e nello stesso momento.
- Formato basato su trigger di uplink: sposta il traffico uplink da un sistema Wi-Fi tradizionale non coordinato, basato su contesa, a un sistema precisamente coordinato e programmato.
- Quality of Service (QoS): dà priorità alle applicazioni critiche come voce e videoconferenza utilizzando le impostazioni di QoS (Quality of Service).
- Riutilizzazione spaziale (Spatial Reuse) con BSS Coloring nelle reti IEEE 802.11ax.
Esempi di MATLAB:
Simulazione della riutilizzazione spaziale (Spatial Reuse) con BSS Coloring nelle reti IEEE 802.11ax
Sfida: Interferenza co-canale
Quando più stazioni Wi-Fi trasmettono sulla stessa frequenza, può verificarsi interferenza co-canale, che provoca collisioni di pacchetti e una riduzione della velocità di trasmissione. Gli ingegneri wireless possono ridurre le interferenze impiegando:
- Trasmissione uplink basata su trigger che offre una pianificazione coordinata per ogni dispositivo.
- Antenne direzionali (MU-MIMO) per concentrare i segnali Wi-Fi dove sono necessari.
- Larghezze di banda del canale ridotte.
- Pianificazione dei canali per canali non sovrapposti nella banda a 2,4 GHz.
Esempi di MATLAB:
Altre funzionalità Wi-Fi:
Rilevamento Wi-Fi
Integrazione con l'IA
Adozione delle reti mesh
Accelerazione dell'ingegneria wireless con MATLAB e Simulink
MathWorks si impegna ad accelerare il progresso dell’ingegneria e della scienza. Per gli ingegneri delle comunicazioni wireless, MATLAB e Simulink rendono la progettazione delle comunicazioni wireless più rapida ed efficiente grazie a strumenti di modellazione, simulazione, test e implementazione.
Tutti i toolbox e i prodotti menzionati nel report sono mantenuti conformi agli ultimi standard di settore. Che tu stia realizzando un prototipo di ricevitore nativo AI per il 6G o validando un progetto Bluetooth 6, i prodotti MathWorks colmano il divario tra concetto e hardware.
Il Bluetooth è una tecnologia wireless a corto raggio utilizzata per lo scambio di dati tra dispositivi su brevi distanze. Lo standard Bluetooth è progettato dal Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). Bluetooth 6, annunciato nel 2024, ha introdotto tecnologie come il Channel Sounding, che può fornire stime di distanza estremamente accurate tra i nodi Bluetooth.
Spettro e spettrogramma della coesistenza Bluetooth/WLAN.
Lo standard Bluetooth Classic specifica due modalità PHY: Basic Rate (BR) ed Enhanced Data Rate (EDR). Inoltre, lo standard BLE è orientato ad applicazioni in ambiti come sanità, fitness, sicurezza e intrattenimento domestico. Inoltre, i sistemi Bluetooth possono eseguire la localizzazione utilizzando tecnologie come la triangolazione e la trilaterazione.
La sezione seguente illustra le principali sfide nell'implementazione di dispositivi e reti Bluetooth, insieme a esempi pertinenti in MATLAB che affrontano tali sfide.
Sfida: Coesistenza e pianificazione radio
- La banda non licenziata a 2,4 GHz è molto affollata, con la presenza di Wi-Fi, forni a microonde e dispositivi Zigbee, che generano interferenze, effetti di multipath e contesa del tempo di utilizzo del canale.
- L’Adaptive Frequency Hopping (AFH) aiuta, ma in ambienti RF densi si osservano comunque degradazioni di throughput, latenza e affidabilità.
- La detuning dell’antenna dovuta agli involucri o alla vicinanza del corpo umano può ridurre la portata; sono quindi essenziali un accurato layout RF, un adeguato piano di massa e una corretta taratura.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Topologia, scalabilità e prestazioni
- Le piconet Bluetooth Classic (BR/EDR) supportano un numero limitato di connessioni attive; la pianificazione dei link ACL (Asynchronous Connection-Oriented Logical Transport) può diventare un collo di bottiglia.
- I limiti di connessione del Bluetooth Low Energy per gateway o smartphone, insieme ai vincoli sugli intervalli di connessione, limitano la scalabilità e la reattività del sistema.
- Il Bluetooth Mesh può scalare fino a migliaia di nodi, ma il flooding gestito aumenta comunque l’occupazione del canale, le collisioni e il consumo energetico; è quindi necessario configurare con attenzione parametri come TTL, relay e i ruoli friend/low-power node.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Localizzazione
- Instabilità dell’indicatore di potenza del segnale ricevuto (RSSI)
- Requisito basato sull'angolo per gli array di antenne
- Sincronizzazione e calibrazione in ampiezza, fase e tempo
- Interferenza e disponibilità del canale
Esempi di MATLAB:
Figura 3. Il Bluetooth Channel Sounding è utilizzato per il tracking degli asset, mostrando il percorso dell'asset e le note del localizzatore Bluetooth (triangoli blu e gialli).
Questa sezione descrive le principali sfide nella progettazione di ricetrasmettitori per sistemi wireless conformi agli standard e presenta esempi MATLAB che ne mostrano le possibili soluzioni.
Caratteristiche AM/AM di un amplificatore non lineare.
Analisi dell’EVM nel tempo e nella frequenza su una waveform 5G acquisita over-the-air.
Sfida: Garanzia della conformità ai protocolli standard per l’interoperabilità di sistemi e dispositivi
- Questo può richiedere che progettisti di algoritmi e tester di chip dispongano di forme d’onda standard, sia con che senza distorsioni, per testare i ricevitori o stimolare i relativi circuiti integrati.
- Può inoltre essere necessario disporre di testbench di misura per grandezze quali l’Error Vector Magnitude (EVM), l’Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) e il Packet Error Rate (PER).
Esempi di MATLAB:
Sfida: Ottimizzazione dei parametri di sistema attraverso l’integrazione delle scelte di progetto relative ad algoritmi, antenne, array e ricetrasmettitori RF
- Sono necessari studi di compromesso su dimensioni dell’array, tipi di elementi e accoppiamento tra elementi, che influenzano fenomeni come beam squinting, non linearità degli HPA, figure di rumore degli LNA e disadattamento di impedenza.
- Può anche richiedere scelte progettuali riguardanti gli schemi di modulazione e i codici di controllo degli errori.
Esempi di MATLAB:
Sfida: Validazione dei progetti su prototipi hardware tramite test OTA automatizzati e modelli realistici di canale e delle relative imperfezioni
- Nelle prime fasi di progettazione è necessaria la connessione tra dispositivi di acquisizione del segnale, come gli SDR, e il software impiegato per la prototipazione degli algoritmi del ricevitore.
- Nelle fasi successive della progettazione, ciò può richiedere la sintesi e il deployment di codice in Hardware Description Language (HDL) su field-programmable gate arrays (FPGA).
Esempi di MATLAB:
Figura 4. Le fasi del workflow wireless includono gli standard wireless, la simulazione antenna-to-bits e l’implementazione e il testing dei dispositivi.
Con il progresso verso una connettività ubiqua, dal 5G Advanced al 6G e oltre, la convergenza tra tecnologie cellulari, satellitari, Wi-Fi e Bluetooth sta dando vita a un ecosistema di comunicazione globale integrato. Questo white paper ha esaminato le principali tecnologie, gli standard e le sfide di questo contesto, mostrando come MATLAB e Simulink siano strumenti essenziali per progettare, simulare e validare sistemi wireless complessi.
