Nel sistema di rete cellulare, indipendentemente dal fatto che si tratti di 4G LTE o 5G NR, sia l'output multiplo a input multiplo (MIMO) che l'aggregazione di portanti (CA) sono tecnologie chiave, ma quali sono le differenze tra loro?

L'aggregazione delle portanti è una tecnologia altamente innovativa introdotta nella rete LTE Advanced, che consente alla rete mobile di combinare più vettori di frequenza in uno per aumentare la larghezza di banda complessiva della portante per aumentare la velocità di trasmissione dati più significativa per gli utenti di telefonia mobile. All'inizio, le reti LTE basate su 3GPP Release 8 non supportavano l'aggregazione delle portanti, ma le reti LTE supportano una configurazione flessibile della larghezza di banda, il che significa che possono utilizzare portanti di frequenza con diverse larghezze di banda come 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e 20 MHz.

La versione 10 di LTE-Advanced è la prima versione LTE a introdurre l'aggregazione delle portanti (continua intra-banda e inter-banda), accetta 5×20 MHz come CA standard, ma è solo per due operatori. La versione 12 di LTE-Advanced è stata introdotta nel 2012, supporto per l'aggregazione di portanti non contigue in banda. Supporta l'aggregazione di un massimo di 5 portanti di frequenza con larghezza di banda flessibile, larghezza di banda fino a 100 MHz. Anche la larghezza di banda di 100 MHz è già impressionante, ma la rete LTE-Advanced Pro ha portato una configurazione di aggregazione portante con specifiche più elevate. Mira a fornire un throughput massimo fino a 3 Gbps in downlink, che richiede carrier di dimensioni maggiori. 3GPP Release 13 introduce la rete LTE-Advanced Pro che consente l'aggregazione di portanti fino a 32 portanti, raggiunge una larghezza di banda massima fino a 640 MHz.

Sebbene l'aggregazione delle portanti sia una tecnologia chiave già presentata nelle reti LTE-Advanced, consente l'evoluzione dell'LTE per raggiungere una velocità di trasmissione dati dell'utente superiore a 1 Gbps, ma nelle reti 5G, l'aggregazione delle portanti supporterà l'evoluzione verso il 5G multi-gigabit, la velocità di trasmissione dei dati dell'utente raggiunge circa 4 Gbps e oltre.

Dopo aver parlato di carrier aggregation, diamo un'occhiata a cos'è esattamente il MIMO?

Nella rete wireless, due nodi wireless comunicano per inviare e ricevere dati tramite canale radio, questo canale utilizza un certo spettro wireless. Ma in molte aree lo spettro adatto è scarso, l'uso di più spettro è impraticabile.

MIMO è l'acronimo di Multiple Input Multiple Output, è una tecnologia di antenna avanzata in grado di aumentare la capacità ma senza aumentare lo spettro, quindi è ampiamente adottata dalle reti 4G LTE, LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro. MIMO migliora efficacemente la velocità dei dati e la qualità del segnale attraverso il multiplexing spaziale, la diversità delle antenne e il beamforming.

MIMO si concentra sul principio del multiplexing spaziale in 4G LTE, significa che la comunicazione avviene attraverso più antenne spazialmente separate (multiplexing a divisione spaziale). Nel frattempo, MIMO migliora anche la qualità dei segnali mobili riducendo al minimo gli effetti del fading multipath attraverso la diversità dell'antenna.

Inoltre, MIMO beneficia della tecnologia beamforming, più antenne trasmettono segnali allo stesso ricevitore in modo che il ricevitore possa ricevere un segnale più forte. Le reti LTE utilizzano diverse configurazioni MIMO per il downlink e l'uplink e sia i trasmettitori che i ricevitori devono supportare queste configurazioni.

Secondo la versione 8 del 3GPP, la rete LTE originale supporta configurazioni MIMO 4×4 in downlink e configurazioni MIMO 2×2 in uplink. La configurazione downlink 4×4 significa che quattro elementi dell'antenna nel trasmettitore della stazione base inviano il segnale al telefono cellulare, mentre quattro elementi dell'antenna nel ricevitore del telefono cellulare sono responsabili della ricezione del segnale. La trasmissione in uplink avviene dal telefono cellulare alla stazione base.

Le reti LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro utilizzano la configurazione MIMO 8×8 in downlink e la configurazione MIMO 4×4 in uplink. Per riassumere, MIMO e l'aggregazione dei vettori svolgono il loro ruolo unico e cruciale nelle moderne reti cellulari, offrendo congiuntamente agli utenti un'esperienza di comunicazione più veloce e più stabile. Nelle reti 5G (NR) viene adottato un MIMO avanzato chiamato Massive MIMO, che utilizza una configurazione più elevata e un MIMO multiutente. Il Massive MIMO è diventato un fattore chiave e un componente fondamentale del 5G ultraveloce a onde millimetriche.

Non esiste una definizione fissa per definire quante antenne devono avere per essere considerate Massive MIMO, ma i sistemi con più di 8×8 antenne sono generalmente considerati sistemi Massive MIMO, il numero 8×8 si riferisce a 8 antenne di trasmissione e 8 antenne di ricezione. In generale, MIMO agisce come una tecnologia di antenna, ha un'enfasi diversa dall'aggregazione delle portanti. 

L'aggregazione delle portanti si concentra sulla combinazione delle portanti di frequenza, il MIMO aumenta la velocità dei dati per gli utenti di telefonia mobile multiplexando spazialmente le portanti di frequenza esistenti in modo più efficiente. L'aggregazione delle portanti combina più portanti di frequenza per allocare una maggiore larghezza di banda delle portanti ai telefoni cellulari. Ma MIMO utilizza un gran numero di elementi dell'antenna sul trasmettitore per inviare più flussi di dati paralleli al ricevitore. I ricevitori MIMO sono inoltre dotati di più elementi dell'antenna per ricevere questi flussi di dati, l'uscita dal dispositivo dell'utente viene creata combinando vari flussi di dati. In questo modo, ogni flusso di dati agisce come un canale virtuale tra la stazione base e l'apparecchiatura utente.