I ricercatori del NIST hanno studiato gli effetti degli alberi sulle onde millimetriche, che sono pianificate per l’uso nella comunicazione 5G.
Le misurazioni dell’impatto degli alberi sulle trasmissioni 5G potrebbero rivelarsi vitali per l’utilizzo di una nuova classe di segnali.
Man mano che la tecnologia 5G verrà pienamente implementata nei prossimi anni, i telefoni cellulari e altre tecnologie wireless diventeranno più potenti con un maggiore flusso di dati e una minore latenza. Ma insieme a questi benefici arriva una domanda: il tuo cellulare di prossima generazione non sarà in grado di vedere la foresta per gli alberi?
Questo è un modo per descrivere il problema che i progettisti di reti cellulari devono affrontare, che devono abbracciare sia i vantaggi che le carenze di una nuova classe di segnali che il 5G utilizzerà: le onde millimetriche. Non solo queste onde possono trasportare più informazioni rispetto alle trasmissioni convenzionali, ma occupano anche utilmente una parte dello spettro di trasmissione che le tecnologie di comunicazione usano raramente – una delle principali preoccupazioni in un’epoca in cui le emittenti competono per porzioni di spettro come cercatori che puntano fuori territorio.
Tuttavia, le onde millimetriche presentano anche degli svantaggi, inclusa la loro limitata capacità di penetrare gli ostacoli. Questi ostacoli includono gli edifici, ma anche gli alberi che punteggiano il paesaggio. Fino a poco tempo fa si sapeva poco su come gli alberi influenzassero la propagazione delle onde millimetriche. E proprio come pochi di noi vorrebbero immaginare un paesaggio senza verde, pochi designer sarebbero in grado di pianificare reti intorno ad esso senza un dettaglio fondamentale così cruciale.
Il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha deciso di risolvere questo problema misurando l’effetto degli alberi sulle onde millimetriche. Lo sforzo potrebbe fare una profonda differenza nella capacità dei nostri dispositivi di prossima generazione di vedere le antenne 5G che potrebbero presto germogliare.
L’era del 5G sarà caratterizzata dalla comunicazione wireless non solo tra le persone ma anche tra i dispositivi connessi all’Internet of Things. L’aumento della domanda di download più grandi da parte dei clienti cellulari e la risposta di rete senza ritardi da parte dei giocatori ha spinto l’industria wireless a perseguire una comunicazione più rapida ed efficace. Non solo i nostri attuali dispositivi e servizi potrebbero funzionare in modo più efficace, ma potremmo realizzarne di nuovi: i veicoli autonomi dipenderanno da una risposta di rete così rapida per funzionare.
“Saremo in grado di fare cose nuove se le nostre macchine saranno in grado di scambiare ed elaborare informazioni in modo rapido ed efficace”, ha dichiarato Nada Golmie, capo della divisione Reti wireless del NIST nel Laboratorio di tecnologia delle comunicazioni. “Ma hai bisogno di una buona infrastruttura di comunicazione. L’idea è quella di connettersi, elaborare i dati in un unico posto e fare le cose con loro altrove”.
Le onde millimetriche, che sono un nuovo terreno per l’industria wireless, potrebbero essere parte della soluzione. Le loro creste d’onda sono distanti pochi millimetri l’una dall’altra – una distanza molto breve rispetto alle onde radio che possono essere lunghe diversi metri. E le loro frequenze sono molto alte, da qualche parte tra 30 e 300 gigahertz, o miliardi di creste d’onda al secondo. Rispetto alle trasmissioni radio convenzionali, che sono nelle gamme kilohertz (per AM) e megahertz (per FM), i nuovi segnali 5G saranno davvero ad altissima frequenza – qualcosa come un uccello che twitta nella gamma superiore dell’udito umano rispetto ai bassi profondi e bassi della radio.
È l’alta frequenza delle onde millimetriche che le rende sia allettanti come supporti dati che difficili da sfruttare. Da un lato, più creste d’onda al secondo significa che le onde possono trasportare più informazioni e la nostra era affamata di dati brama quella capacità di fornire download più veloci e risposte di rete. Dall’altro, le onde ad alta frequenza hanno difficoltà a viaggiare attraverso le ostruzioni. Chiunque sia passato vicino a una casa o a un’auto i cui occupanti stanno suonando musica da ballo ad alto volume sa che le frequenze dei bassi palpitanti sono la maggior parte di ciò che raggiunge l’esterno, non gli acuti di un soprano lilting.
Per le reti 5G, il muro ostruente non può essere altro che una foglia di quercia. Per questo motivo, gli scienziati del NIST si sono imbarcati in un compito un po’ insolito nel settembre 2019: hanno installato apparecchiature di misurazione vicino ad alberi e arbusti di diverse dimensioni intorno al campus di Gaithersburg, nel Maryland, dell’agenzia. Lo studio è continuato per mesi, in parte perché avevano bisogno di una prospettiva stagionale.
“Lo studio dell’albero è uno dei pochi là fuori che esamina l’effetto dello stesso albero su una particolare frequenza del segnale attraverso diverse stagioni”, ha detto Golmie. “Non potevamo fare il sondaggio solo in inverno, perché le cose sarebbero cambiate entro l’estate. Si scopre che anche la forma delle foglie influenza se un segnale rifletterà o passerà. ”
Il team ha lavorato con la comunità wireless per sviluppare le apparecchiature mobili necessarie per effettuare le misurazioni. I ricercatori lo hanno focalizzato su singoli alberi e hanno puntato segnali a onde millimetriche su di loro da una gamma di angolazioni e posizioni, per simulare onde provenienti da direzioni diverse. Hanno misurato la perdita, o attenuazione, in decibel. (Ogni 10 dB di perdita è una riduzione di una potenza di 10; un’attenuazione di 30 dB significherebbe che il segnale è ridotto di un fattore di 1.000.)
“Lo studio degli alberi è uno dei pochi là fuori che esamina l’effetto dello stesso albero su una particolare frequenza del segnale attraverso diverse stagioni. Anche la forma delle foglie influisce sul fatto che un segnale rifletta o passi.” – Nada Golmie, ricercatrice del NIST
Per un tipo di albero frondoso, l’ortica europea, l’attenuazione media in estate era di 27,1 dB, ma si rilassava a 22,2 dB in inverno quando l’albero era nudo. Gli evergreen bloccavano più del segnale. La loro attenuazione media è stata di 35,3 dB, un numero che non è cambiato con la stagione.
(Come misura di confronto, il team ha anche esaminato diversi tipi di materiali da costruzione. Le porte in legno, le pareti in cartongesso e il vetro interno hanno mostrato perdite fino a 40,5 dB, 31,6 dB e 18,1 dB, rispettivamente, mentre i materiali da costruzione esterni hanno mostrato perdite ancora maggiori, fino a 66,5 dB.)
Mentre i contributi del NIST allo sforzo di sviluppo della rete 5G potrebbero finire onnipresenti come gli alberi stessi, per la maggior parte di noi saranno considerevolmente meno visibili. Le misurazioni effettuate dal team sono destinate principalmente alle aziende che creano modelli di come oggetti diversi influenzano le onde millimetriche. Parte dello sforzo è stata una collaborazione con Ansys Inc. L’azienda ha utilizzato i dati di misurazione che il NIST ha condiviso con essa per ottimizzare i modelli di simulazione dell’albero, che le aziende cellulari utilizzano per pianificare in dettaglio le loro reti di antenne.
“La maggior parte dei modelli non include informazioni basate sulla misurazione degli alberi”, ha detto David Lai del NIST, uno degli scienziati che hanno condotto lo studio. “Potrebbero semplicemente dire che per una data forma ad albero, dovremmo aspettarci una certa quantità di perdita di segnale. Vogliamo migliorare i loro modelli fornendo dati di propagazione accurati basati su misurazioni”.
La collaborazione del NIST con Ansys ha contribuito alle linee guida emesse dall’International Telecommunication Union (ITU), l’organizzazione che crea linee guida per gli standard delle telecomunicazioni. I risultati appaiono ora come una nuova sezione sugli alberi nella raccomandazione ITU-R P.833-10dell’ITU. Questa pubblicazione serve come riferimento per i modelli di propagazione del segnale, che altri svilupperanno.
“Il nostro obiettivo è quello di ottenere queste misurazioni di fronte all’intera comunità wireless”, ha detto Golmie. “Speriamo che questo sforzo aiuti l’intero mercato”.
Articolo a cura della redazione SciTechDaily
Traduzione a cura della redazione 5G – Italia
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