di Francesco Matera, Rappresentante FUB nel Comitato tecnico-scientifico della Fondazione RESTART
L’approfondimento descrive l’evoluzione delle reti di telecomunicazione verso il 6G, con riferimento alla gestione intelligente dei campi elettromagnetici (CEM) per ottimizzare i percorsi del segnale e garantire le massime prestazioni. Questo sviluppo sarà reso possibile grazie all’utilizzo di nuove tecniche come l’Integrated Sensing and Communication (ISAC) e l’impiego dei dispositivi radio di nuova concezione, come le superfici riconfigurabili intelligenti (RIS) e i rigeneratori radio Network Controller Repeater (NCR).
Dalle onde sferiche al beam stearing. L’evoluzione delle trasmissioni radio verso una propagazione mirata
Sin dalla loro introduzione, le comunicazioni radio si sono basate sul principio secondo cui un’antenna propaga il campo elettromagnetico in modo praticamente uniforme nello spazio con la generazione di onde sferiche (come mostrato in Figura 1a), garantendo così la copertura di vaste aree, in alcuni casi talmente estese da includere l’intero globo. Con il progressivo aumento del volume delle informazioni trasmesse si è reso necessario l’utilizzo di portanti con frequenze sempre più elevate e antenne a propagazione più direttiva in grado di coprire aree più ristrette. Per garantire la copertura di ampie zone si collocavano più antenne su uno stesso impianto (come si evince dalla Figura 1b).
Figura 1: Evoluzione della propagazione EM nelle reti wireless
L’evoluzione tecnologica nella realizzazione delle antenne ha successivamente permesso il trasporto delle informazioni maggiormente mirato verso punti specifici. In particolare, con la tecnica del beam forming è stata introdotta una nuova modalità di funzionamento con cui le antenne possono trasmettere contemporaneamente su più lobi (come riportato nella Figura 1c). Per migliorare le prestazioni e aumentare la quantità dei dati trasmessi (throughput) è, inoltre, possibile sfruttare la tecnica denominata Multiple Input Multiple Output (MIMO), che consiste nella trasmissione del segnale sfruttando più percorsi grazie all’uso di antenne e ricevitori multipli.
Le due tecniche descritte – beam forming e MIMO – stanno svolgendo un ruolo fondamentale nelle reti wireless, specialmente in quelle 5G, contribuendo anche al risparmio energetico e alla riduzione dell’inquinamento elettromagnetico.
L’attuale evoluzione tecnologica mira a direzionare in modo più dinamico il fascio del segnale, sia per seguire gli utenti in movimento sia per compensare le degradazioni nella propagazione che possono verificarsi a causa di variazioni ambientali. Questa tecnica, nota come beam stearing, permette di orientare i fasci nel tempo in base a specifiche esigenze.
Bisogna comunque considerare che una rete wireless complessa come quella 5G, che cerca di seguire tutti gli utenti, fornendo a ciascuno le massime prestazioni e garantendo il servizio che richiede la massima qualità, si trova a gestire situazioni molto articolate. Tra queste, l’analisi dell’ambiente per indirizzare tutti i fasci secondo i percorsi più idonei, evitando perdite e interferenze.
Quindi, la rete dovrebbe essere in grado di conoscere l’orografia e la planimetria del territorio in cui opera (che peraltro può cambiare nel tempo). L’impiego di metodologie legate all’intelligenza artificiale (AI) consentirebbero di interpretare queste conoscenze per gestire in modo ottimale la propagazione delle onde elettromagnetiche. Il pervasivo utilizzo dell’AI nelle comunicazioni wireless sarà uno degli aspetti che caratterizzerà la futura evoluzione dal 5G verso il 6G.
La tecnica Integrated Sensing And Communication (ISAC): l’innovazione che ridefinisce le reti
Come può la rete reperire tutte le informazioni sull’ambiente in cui opera? È necessario un apposito sistema di monitoraggio del territorio? In realtà, le stesse onde elettromagnetiche nella loro propagazione possono fornire le informazioni necessarie alla rete wireless. Il principio della riflessione, alla base del funzionamento dei radar, consente l’interazione delle onde con la materia, fornendo dati utili sull’ambiente circostante. In tal modo, la stessa onda elettromagnetica può essere usata sia per il trasporto dell’informazione (communication) sia per l’analisi ambientale (sensing). È questa la tecnica che oggi prende il nome di Integrated Sensing and Communication (ISAC).
Il paradigma ISAC mira a fondere le funzionalità tradizionalmente distinte dei sistemi di comunicazione e delle tecnologie di rilevamento e pertanto a sfruttare le sinergie tra i due domini per migliorarne le prestazioni e le capacità. In particolare, nella comunicazione l’obiettivo è quello di trasmettere i dati nella migliore maniera possibile tra dispositivi o reti, mentre il sensing riguarda il rilevamento e la misurazione delle caratteristiche fisiche degli oggetti, come le dimensioni, il movimento e la distanza.
Informazioni su un oggetto remoto e sull’ambiente circostante possono essere estratte dall’analisi del campo elettromagnetico associato alla propagazione del segnale, specialmente quando sono usate le alte frequenze. Infatti, l’aumento della frequenza della portante può migliorare l’accuratezza della misurazione. Di conseguenza, le reti che adottano trasmissioni radio a frequenze più elevate, dalle millimetriche alle SubTHz, potrebbero già essere disponibili nell’adozione di tecniche ISAC.
Tra le varie opzioni per l’implementazione di ISAC, la tecnica Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) si distingue per essere una scelta particolarmente adatta, grazie anche al suo ampio utilizzo negli attuali standard wireless. La sua idoneità deriva dalla possibilità di utilizzare la condivisione dei simboli OFDM, sia per la comunicazione che per l’analisi ambientale, come illustrato in Figura 2.
Figura 2: Gestione nel frame del segnale OFDM delle allocazioni per la comunicazione e il sensing*
Anche il 3GPP, l’iniziativa internazionale che stabilisce gli standard tecnici per le tecnologie di comunicazione mobile, sta mostrando un notevole interesse per le tecniche ISAC, come evidenziato dalla pubblicazione del rapporto 3GPP TR 22.837 V19.4.0 (2024-06): Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication (Release 19).
La tecnica ISAC sta offrendo nuovi scenari per applicazioni avanzate, come per esempio nelle reti veicolari. La comunicazione e il rilevamento integrati possono migliorare l’interazione tra il veicolo e il resto dell’ambiente circostante (V2X, inteso sia come veicoli, pedoni, segnali e reti), fornendo informazioni in tempo reale, con conseguente miglioramento della sicurezza e della gestione del traffico.
Analogamente, nell’IoT industriale, ISAC può facilitare il monitoraggio e il controllo dei processi produttivi con maggiore precisione ed efficienza. Ma soprattutto, questa tecnica può migliorare le prestazioni della rete mobile stessa, in quanto può rilevare in modo proattivo una potenziale interruzione causata dall’improvvisa presenza di un ostacolo nel percorso del fascio. Bisogna anche sottolineare che per sfruttare appieno tutte le sue potenzialità la tecnica ISAC necessità dell’integrazione con procedure di intelligenza artificiale.
Nuovi dispositivi per la guida delle onde elettromagnetiche: RIS e rigeneratori radio NCR
Per consentire che ogni oggetto sia raggiungibile da un segnale, specialmente quando non è in visibilità con un’antenna e le riflessioni non sono in grado di fornire la potenza necessaria alla sua rivelazione, occorrono tecniche che siano in grado di modificare efficacemente il percorso del fascio delle onde elettromagnetiche. A tal fine vengono impiegati appositi dispositivi – le Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) e i rigeneratori radio noti come Network Controller Repeater (NCR) – che permettano riflessioni mirate o rilanci del segnale, eventualmente cambiando anche la frequenza della portante (come mostrato nella figura 1d).
Attualmente si registra un crescente interesse, anche a livello industriale, per le RIS, che sono in grado di operare sia su onde millimetriche sia su frequenze sotto i 6GHz. Questi dispositivi sono da considerarsi superfici composte da array di piccoli elementi, in grado di riflettere o rinfrangere l’onda elettromagnetica incidente secondo specifiche direzioni, operando in modo sia fisso sia dinamico tramite opportuni comandi. Si segnala, inoltre, che un’importante branca della ricerca è dedicata ai materiali che permettono il funzionamento di una RIS, in cui un ruolo rilevante è ricoperto dai metamateriali.
I rigeneratori radio NCR sono un’altra opportunità per una propagazione intelligente del campo elettromagnetico e soprattutto per il rilancio e l’amplificazione del segnale, anche se si tratta di dispositivi più complessi in quanto dotati di ricevitori e trasmettitori.
Per quanto riguardo l’installazione di RIS e rigeneratori, risultano determinanti le piattaforme mobili, specie di tipo Non Terrestre (NT), su cui possono essere alloggiati questi dispositivi. Tra i veicoli NT che possono essere adibiti a tale scopo vanno annoverati quelli High-Altitude Platforms Stations (HAPS) e soprattutto gli Unmanned Aircraft Vehicle (UAV), meglio conosciuti come droni, che attualmente vengono dotati di veri e propri apparati 5G. I droni e le HAPS utilizzati per le telecomunicazioni permettono di risolvere problemi di copertura specialmente in specifici casi come la gestione del traffico automobilistico e le emergenze causate, per esempio, da eventi distruttivi ambientali.
In sostanza, la complessità di una rete composta da impianti 5G e da dispositivi radio innovativi, insieme all’esigenza di gestire in modo preciso e dinamico il percorso dei campi elettromagnetici, rende sempre più indispensabile l’impiego di potenti metodologie AI.
Tali metodologie devono essere in grado di comprendere la conformazione dell’ambiente circostante e di gestire il funzionamento dalle antenne ai dispositivi radio di nuova generazione, senza trascurare la rete fissa che alimenta le reti radio.
Il ruolo del Programma RESTART e della FUB nell’evoluzione delle reti di telecomunicazione verso il 6G
Le tematiche illustrate in questo approfondimento rappresentano alcuni degli argomenti di ricerca affrontati nel Partenariato Esteso “RESearch and innovation on future Telecommunications systems and networks, to make Italy more smart (RESTART)”, che rappresenta il più importante programma di ricerca che sia stato mai realizzato in Italia nel settore delle telecomunicazioni, finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del Piano nazionale di ripresa e resilienza (PNRR) di Next Generation EU.
Tale Partenariato coinvolge i principali Enti di ricerca, tra cui la Fondazione Ugo Bordoni, aziende manifatturiere e operatori di settore. Rilevanti sperimentazioni hanno già mostrato l’efficacia di queste metodologie innovative, creando le basi per le prime Proof of Concept in ambienti 6G. Con le sue solide competenze nell’ambito dei campi elettromagnetici e delle reti, la FUB partecipa attivamente a queste ricerche, con l’obiettivo di contribuire allo sviluppo di un Paese sempre più connesso e digitalmente avanzato.
* F. Matera et al, “Terrestrial and Non-Terrestrial Networks for Integrated Sensing and Communication”, IEEE ISSE 2025