Che cos’è il 4G e come funzionano le reti 4G?

Ha sostituito l’architettura mista voce-dati del 3G con un’unica rete interamente IP progettata per garantire velocità, capacità e bassa latenza e, a più di un decennio dal lancio, rimane la rete su cui operano effettivamente la maggior parte dei dispositivi IoT nei Paesi nordici. Questa guida spiega cosa significa tecnicamente il 4G, come funziona l’architettura di rete alla base di questa tecnologia, come si confronta con il 3G e il 5G e in che modo i clienti reali di Com4 utilizzano oggi la connettività 4G in ambiente produttivo.

Punti chiave:

• Il 4G è uno standard di rete mobile interamente IP basato sull’Evolved Packet Core (EPC) e sulle torri radio eNodeB, che sostituisce i percorsi separati per voce e dati del 3G con un’unica architettura basata su IP.
• L’LTE è la tecnologia radio che offre le migliori prestazioni 4G nel mondo reale; il vero 4G, secondo la definizione dell’ITU, richiede l’LTE Advanced, anche se nella pratica i termini “4G” e “LTE” sono usati in modo intercambiabile.
• OFDMA, SC-FDMA e MIMO sono le tecnologie che conferiscono al 4G i suoi vantaggi in termini di velocità e capacità rispetto al 3G.
• Il VoLTE trasporta le chiamate vocali come dati sulla stessa rete 4G, anziché ricorrere a una connessione più vecchia a commutazione di circuito.
• Il 4G non verrà sostituito nell’immediato futuro. Rimane lo standard di rete più ampiamente disponibile ed economico per la grande maggioranza delle implementazioni IoT, ed è alla base delle varianti LTE-M e NB-IoT progettate appositamente per i dispositivi IoT a basso consumo.
• Com4 fornisce connettività SIM su 4G, LTE-M e NB-IoT, passando automaticamente da una rete all’altra tra oltre 750 reti in più di 190 paesi, in modo che i dispositivi rimangano connessi alla rete 4G più adatta al loro effettivo utilizzo

Cosa significa in realtà “4G”?

"4G" si riferisce alla quarta generazione di standard di rete cellulare, successiva al 2G (che ha introdotto la voce digitale e i dati di base) e al 3G (che ha aggiunto l’accesso a Internet mobile). Ogni generazione è definita da una nuova tecnologia radio e da una nuova architettura di rete, non solo da velocità più elevate.

L’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) ha fissato obiettivi formali di prestazione per definire cosa si intenda per “vero” 4G nell’ambito del proprio standard IMT-Advanced, tra cui velocità di trasmissione dati di picco di circa 1 Gbps per gli utenti fissi e 100 Mbps per gli utenti mobili. In pratica, il settore ha optato per l’LTE e il suo successore, l’LTE Advanced, come tecnologie commerciali commercializzate come 4G, poiché l’LTE Advanced è quello che soddisfa effettivamente gli obiettivi dell’IMT-Advanced. Ecco perché a volte si vedono i termini “4G LTE” e “vero 4G” utilizzati per distinguere le prime implementazioni LTE dalle successive reti LTE Advanced, anche se entrambe vengono vendute ai consumatori semplicemente come “4G”.

Per le implementazioni IoT, questa distinzione raramente ha importanza nella quotidianità. Ciò che conta è che le reti 4G, nelleloro generazioni LTE e LTE Advanced, offrano prestazioni di banda larga mobile sufficientemente affidabili da gestire qualsiasi cosa, dalla segnaletica digitale ai sensori industriali, senza che il dispositivo debba ricorrere a una rete più lenta e obsoleta.

Come funziona una rete 4G?

Una rete 4G si basa su due componenti principali: la rete di accesso radio, che gestisce la connessione wireless ai dispositivi, e la rete centrale, che instrada il traffico e gestisce la sessione.

• eNodeB (Node B evoluto). Si tratta della torre radio 4G, o stazione base, a cui un dispositivo si connette direttamente. A differenza del 3G, che instradava il traffico attraverso un controller intermedio (l’RNC), l’eNodeB del 4G si collega direttamente alla rete centrale, eliminando un passaggio e riducendo la latenza.
• EPC (Evolved Packet Core). Si tratta della rete centrale interamente IP che gestisce tutto ciò che l’eNodeB non fa: instradare i dati, gestire la mobilità mentre un dispositivo si sposta da una torre all’altra, autenticare le SIM e garantire la qualità del servizio. La Mobility Management Entity (MME) dell’EPC è il nodo di controllo responsabile del tracciamento dei dispositivi in modalità inattiva e della loro chiamata quando è necessario trasmettere dati.
• UE (User Equipment). È il termine tecnico che indica qualsiasi dispositivo che si connette alla rete, che si tratti di uno smartphone, di un gateway industriale o di un sensore IoT con modem integrato.

Il cambiamento architettonico fondamentale dal 3G al 4G consiste nel fatto che voce, dati e segnalazione viaggiano tutti sullo stesso percorso basato su IP, anziché su sistemi separati a commutazione di circuito e a commutazione di pacchetto. Tale semplificazione è una delle ragioni principali per cui le reti 4G gestiscono un numero di connessioni simultanee e di applicazioni che richiedono un volume di dati molto maggiore rispetto a quanto il 3G potesse mai fare.

Quali tecnologie rendono veloce il 4G?

Tre elementi tecnici fondamentali sono alla base della maggior parte dei vantaggi in termini di velocità e capacità del 4G rispetto al 3G:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale). Utilizzato sul downlink, l’OFDMA suddivide un canale radio in numerose sottoportanti strette che possono essere assegnate contemporaneamente a diversi dispositivi, consentendo di comprimere una maggiore quantità di dati nello stesso spettro con meno interferenze rispetto all’approccio del 3G.
• SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). Utilizzato sul collegamento in salita (uplink), l’SC-FDMA raggiunge un’efficienza spettrale simile a quella dell’OFDMA, pur garantendo un maggiore risparmio energetico per il dispositivo trasmittente, aspetto fondamentale per l’hardware alimentato a batteria.
• MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Il MIMO utilizza più antenne sia sul trasmettitore che sul ricevitore per inviare e ricevere più di un flusso di dati contemporaneamente sulla stessa frequenza. Un numero maggiore di antenne comporta generalmente un rapporto segnale-rumore più elevato, una migliore copertura cellulare e una maggiore velocità di trasmissione; ecco perché le configurazioni MIMO (come il MIMO 2x2 o 4x4) sono una specifica comune nei router e nei modem 4G.

Oltre a ciò, l’aggregazione di portanti, che combina più bande di frequenza in un unico canale effettivo più ampio, consente agli operatori di raggiungere velocità effettive ben superiori a quelle che una singola banda potrebbe fornire da sola. L’approfondimento di Com4 sull’LTE tratta l’aggregazione di portanti e le specifiche bande di frequenza utilizzate nei Paesi nordici con maggiori dettagli tecnici.

Qual è la differenza tra 4G e LTE?

L’LTE (Long-Term Evolution) è la tecnologia radio che trasporta la stragrande maggioranza del traffico 4G effettivo e, ai fini pratici, i termini “4G” e “LTE” descrivono la stessa rete. Tecnicamente, però, l’LTE ha rappresentato il primo passo verso le prestazioni complete del 4G, mentre l’LTE Advanced (e successivamente l’LTE Advanced Pro) è ciò che soddisfa effettivamente gli obiettivi formali definiti dall’ITU per il 4G. Gli operatori di rete e i produttori di dispositivi commercializzano entrambe le generazioni semplicemente come “4G” perché la distinzione raramente influisce sull’esperienza di rete di un dispositivo o di un utente. Quando Com4 fornisce la connettività SIM 4G, copre l’intera gamma di reti LTE e LTE Advanced, in modo che i dispositivi ricevano il segnale 4G più potente disponibile indipendentemente dalla specifica sottogenerazione utilizzata da una determinata torre.

Come funziona il VoLTE sulle reti 4G?

Le reti più datate gestivano le chiamate vocali tramite una connessione separata a commutazione di circuito, il che spiega in parte perché alcuni dei primi telefoni 4G passassero al 3G per la durata di una chiamata. Il VoLTE (Voice over LTE) risolve questo problema trasmettendo la voce come un semplice flusso di dati IP sulla stessa rete 4G utilizzata per tutto il resto, grazie all’architettura unificata e interamente IP dell’EPC. Il risultato è che le chiamate possono avviarsi più rapidamente, garantire una qualità audio superiore (spesso pubblicizzata come HD Voice) e avvenire contemporaneamente all’utilizzo dei dati senza richiedere un passaggio tra reti. Per le implementazioni IoT, il VoLTE in sé è raramente rilevante poiché la maggior parte dei dispositivi non trasporta traffico vocale, ma è un utile esempio di quanto sia più semplice il design interamente IP del 4G rispetto all’architettura frammentaria che ha sostituito.

4G vs 3G vs 5G: cosa cambia realmente?

Conclusione pratica per la maggior parte delle implementazioni IoT: il 3G sta per essere dismesso nelle reti nordiche, il 5G è ancora concentrato in specifici casi d’uso ad alto valore aggiunto, mentre il 4G si colloca nel mezzo come standard maturo e affidabile che copre la stragrande maggioranza dei dispositivi connessi attualmente in produzione.

Qual è oggi il ruolo del 4G nella connettività IoT?

Il 4G non è solo la rete utilizzata dagli smartphone. È anche la base per due varianti di rete specifiche per l’IoT, costruite sullo stesso standard LTE sottostante:

• LTE-M è destinato a dispositivi che richiedono mobilità e larghezza di banda moderata, come localizzatori e apparecchiature portatili, consumando meno energia rispetto al 4G standard.
• L’NB-IoT è destinato a sensori semplici e fissi che inviano piccole quantità di dati a intervalli sporadici, privilegiando la durata della batteria e la copertura in ambienti interni rispetto alla velocità.

Sia l’LTE-M che l’NB-IoT si basano sulla stessa infrastruttura fisica di rete 4G che gli operatori hanno già realizzato, ed è proprio per questo che sono così convenienti in termini di costi: non è necessario implementare una rete radio separata.

La guida di Com4 all’LTE illustra in modo più approfondito le differenze tecniche tra il 4G standard, l’LTE-M e l’NB-IoT, e come scegliere tra queste tecnologie.

Connettività 4G nel mondo reale: esempi di clienti Com4

ZetaDisplay: 4G sempre attivo per la segnaletica digitale in cui il tempo è un fattore critico. La rete di segnaletica digitale di ZetaDisplay, implementata in luoghi quali il treno espresso per l’aeroporto di Oslo e la stazione centrale di Oslo, funziona grazie a modem 4G industriali collegati tramite SIM di Com4. Poiché le SIM di Com4 passano automaticamente da una rete mobile all’altra, la segnaletica rimane online anche se la rete di un singolo operatore subisce un calo di qualità in una determinata località, aspetto fondamentale quando i contenuti visualizzati includono gli orari di partenza dei treni in tempo reale.

Soundsensing: sensori basati su 4G implementati su larga scala. Soundsensing ha installato oltre 1.500 sensori di rumore in circa 150 edifici, tra cui sedi di Statsbygg e immobili nei dintorni di Oslo, utilizzando la connettività LTE-M che opera sulla copertura di rete 4G di Com4. A tale scala, il fattore decisivo non è la velocità di picco, ma una copertura costante e a bassa manutenzione su un gran numero di siti fisici: esattamente ciò per cui è stata progettata una rete 4G matura.

Just Eat Norway: connettività 4G per una rete distribuita di chioschi. Just Eat Norway gestisce dal 2006 una rete di chioschi per ordini collegati via mobile, antecedente alla maggior parte delle attuali infrastrutture 4G, verso cui è migrata man mano che le reti si sono consolidate. I chioschi dipendono da una connettività mobile affidabile in numerosi punti vendita, un caso d’uso che si adatta perfettamente alla combinazione offerta dal 4G di ampia copertura e costo per connessione gestibile.

Il 4G verrà sostituito dal 5G?

Non nell’immediato futuro e, per la maggior parte dei dispositivi connessi, non lo sarà affatto. L’implementazione del 5G rimane concentrata nelle aree urbane densamente popolate e in casi d’uso specifici che richiedono elevata larghezza di banda e bassa latenza, come l’automazione industriale o l’accesso wireless fisso. Per la grande maggioranza delle implementazioni IoT, dal monitoraggio delle flotte ai contatori intelligenti fino ai sensori ambientali, il 4G offre già velocità e capacità più che sufficienti, a costi di hardware e connettività inferiori rispetto al 5G. Si prevede che gli operatori manterranno operative le reti 4G fino a ben oltre il prossimo decennio, proprio perché gran parte delle infrastrutture industriali e IoT dipende da esse. La guida di Com4 all’introduzione del 5G nei Paesi nordici illustra in quali ambiti il 5G sia effettivamente vantaggioso oggi, se si valutano le due opzioni.

Scegliere la giusta connettività basata sul 4G per i propri dispositivi

Non tutti i dispositivi necessitano della stessa porzione dello standard 4G. Prima di scegliere una SIM e un piano dati, è utile seguire una breve lista di controllo:

1. Quanti dati invia effettivamente il dispositivo? Un dispositivo che riproduce video in streaming necessita della larghezza di banda standard del 4G; un sensore che invia letture ogni pochi minuti può invece essere gestito efficacemente dall’NB-IoT.
2. Il dispositivo è in movimento? Le apparecchiature mobili o portatili necessitano generalmente del 4G standard o dell’LTE-M piuttosto che dell’NB-IoT, che è ottimizzato per i dispositivi fissi.
3. Quanto è limitato il budget energetico? I dispositivi alimentati a batteria con una durata prevista di diversi anni dovrebbero optare per l’LTE-M o l’NB-IoT piuttosto che per i modem 4G standard, che consumano una quantità significativamente maggiore di energia.
4. Come si presenta l’ambiente fisico di implementazione? I luoghi al chiuso, sotterranei o comunque difficili da raggiungere traggono vantaggio dalle caratteristiche di penetrazione più profonda dell’NB-IoT.
5. L’implementazione si estende su più paesi o reti? In tal caso, cercate una connettività SIM che passi automaticamente da un operatore all’altro, anziché vincolare il dispositivo a una singola rete.
6. Il dispositivo dovrà essere riconfigurato da remoto dopo l’implementazione? Verificate che la SIM supporti il provisioning over-the-air, in modo che le modifiche alla rete e al profilo non richiedano un intervento in loco. La guida di Com4 alle schede SIM IoT, eSIM e iSIM illustra gli aspetti relativi al fattore di forma e al provisioning in tale contesto decisionale.