Nel sistema di rete cellulare, che si tratti di 4G LTE o 5G NR, sia il Multiple-input multiple output (MIMO) che il Carrier Aggregation (CA) sono tecnologie chiave, ma quali sono le differenze tra di esse?

Il Carrier Aggregation è una tecnologia altamente innovativa introdotta nella rete LTE Advanced, che consente alla rete mobile di combinare più portanti di frequenza in una per aumentare la larghezza di banda complessiva della portante e portare a un aumento significativo della velocità di trasmissione dati per gli utenti di telefonia mobile. Inizialmente, le reti LTE basate su 3GPP Release 8 non supportavano il Carrier Aggregation, 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 Release 10 di LTE-Advanced è la prima versione LTE a introdurre il Carrier Aggregation (intra-banda continuo e inter-banda), utilizzando 5×20 MHz come CA standard, ma è solo per due operatori. La Release 12 di LTE-Advanced, introdotta nel 2012, supporta il Carrier Aggregation non contiguo in-banda. Supporta l'aggregazione di fino a 5 portanti di frequenza con larghezza di banda flessibile, fino a 100MHz di larghezza di banda. Anche una larghezza di banda di 100MHz è già impressionante, ma la rete LTE-Advanced Pro ha introdotto una configurazione di Carrier Aggregation con specifiche superiori. Mira a fornire un throughput massimo fino a 3 Gbps in downlink, il che richiede dimensioni di portante maggiori. La 3GPP Release 13 introduce la rete LTE-Advanced Pro che abilita il Carrier Aggregation fino a 32 portanti, raggiungendo una larghezza di banda massima fino a 640MHz.

Sebbene il Carrier Aggregation sia una tecnologia chiave già presente nelle reti LTE-Advanced, che consente l'evoluzione dell'LTE per raggiungere una velocità di trasmissione dati utente superiore a 1Gbps, nelle reti 5G, il Carrier Aggregation supporterà l'evoluzione verso il 5G multi-gigabit, con una velocità di trasmissione dati utente che raggiunge circa 4 Gbps e oltre.

Dopo aver parlato di Carrier Aggregation, diamo un'occhiata a cosa sia esattamente il MIMO?

In una rete wireless, due nodi wireless comunicano per inviare e ricevere dati tramite canale radio; questo canale utilizza parte dello spettro wireless. Ma in molte aree lo spettro adatto è scarso, e l'utilizzo di più spettro è impraticabile.

MIMO, acronimo di Multiple Input Multiple Output, è una tecnologia d'antenna avanzata in grado di aumentare la capacità senza aumentare lo spettro, ed è per questo 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 d'antenna e il beamforming.

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

Inoltre, MIMO beneficia della tecnologia di 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 downlink e uplink, e sia i trasmettitori che i ricevitori devono supportare queste configurazioni.

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

Le reti LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro utilizzano configurazioni MIMO 8×8 in downlink e configurazioni MIMO 4×4 in uplink. In sintesi, MIMO e l'aggregazione di portanti svolgono ciascuno un ruolo unico e cruciale nelle moderne reti cellulari, offrendo congiuntamente agli utenti un'esperienza di comunicazione più veloce e stabile. Nelle reti 5G (NR), è adottato un MIMO avanzato chiamato Massive MIMO, che utilizza una configurazione più elevata e il MIMO multi-utente. Il Massive MIMO è diventato un abilitatore chiave e un componente fondamentale del 5G a onde millimetriche ultraveloce.

Non esiste una definizione fissa per stabilire quante antenne debbano 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 trasmittenti e 8 antenne riceventi. In generale, MIMO, in quanto tecnologia d'antenna, ha un'enfasi diversa rispetto all'aggregazione di portanti.

L'aggregazione di portanti si concentra sulla combinazione delle portanti di frequenza, mentre MIMO aumenta la velocità dei dati per gli utenti di telefoni cellulari multiplexando spazialmente le portanti di frequenza esistenti in modo più efficiente. L'aggregazione di portanti combina più portanti di frequenza insieme per allocare una maggiore larghezza di banda portante ai telefoni cellulari. MIMO, invece, utilizza un gran numero di elementi d'antenna al trasmettitore per inviare più flussi di dati paralleli al ricevitore. I ricevitori MIMO sono anch'essi dotati di più elementi d'antenna per ricevere questi flussi di dati; l'output dal dispositivo utente viene creato 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.