Telecomunicazioni del futuro: si lavora al 6G

Mentre le reti di telecomunicazione di quinta generazione (5G) stanno muovendo i primi passi, la ricerca internazionale sta già esplorando le possibili evoluzioni che dovrebbero condurre alla generazione futura (6G) nell’arco dei prossimi dieci o quindici anni. Sebbene non esistano ancora un cronoprogramma e degli standard precisi, l’obiettivo ambizioso per i sistemi wireless 6G è migliorare da dieci a cento volte le prestazioni in termini di velocità di trasmissione, latenza ed efficienza energetica. Per rendere l’idea, si parla di velocità di trasmissione di picco fino al terabit al secondo, sufficiente a scaricare in un secondo oltre 140 ore di contenuti streaming. Velocità del genere renderebbero praticabile il concetto di “wireless cognition”, ovvero la possibilità di controllare in tempo reale un dispositivo, effettuando tutte le computazioni massive richieste completamente da remoto. Così come la tecnologia 5G è considerata abilitante per l’internet “delle cose”, i sistemi 6G potrebbero abilitare l’internet “del tutto”, con ricadute rivoluzionarie in ambiti quali la realtà estesa multisensoriale, la robotica connessa e i veicoli autonomi, le interazioni cervello-computer e le tecnologie blockchain.

Per raggiungere i miglioramenti desiderati è necessaria l’adozione di soluzioni radicalmente innovative rispetto ai sistemi 5G in divenire. Tra le tecnologie abilitanti più promettenti rientrano i metamateriali e le metasurperfici, costituiti da “meta-atomi” elementari la cui risposta elettromagnetica può essere modulata con grande precisione nello spazio e nel tempo.

Uno studio recente, guidato dal Prof. Vincenzo Galdi del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del Sannio, ha dimostrato teoricamente e sperimentalmente l’applicabilità di metasuperfici intelligenti al controllo di precisione della diffusione angolare di onde elettromagnetiche riflesse a frequenze multiple, che rappresenta uno dei grandi problemi aperti nell’ambito dei futuri sistemi 6G. Lo studio, pubblicato nella prestigiosa rivista Advanced Functional Materials, ha visto la partecipazione del Prof. Giuseppe Castaldi e del Dr. Massimo Moccia dello stesso Dipartimento, del Dr. Lei Zhang e del Prof. Tie Jun Cui della Southeast University di Nanchino (Cina), e di Alisa Hathaway del Massachusetts Institute of Technology, che ha trascorso un periodo di studio presso l’Università del Sannio nell’ambito del Programma MIT Externship.

“Una grande limitazione alla qualità del segnale nei sistemi di comunicazione, solo in parte mitigata dalle tecnologie 5G, è la presenza di ostacoli tra il trasmettitore e il ricevitore - spiega Galdi -. Nei sistemi di prossima generazione il problema sarà ulteriormente esacerbato dalle frequenze più elevate in gioco (fino ai THz), e si punta a risolverlo attraverso l’utilizzo di superfici riflettenti ‘intelligenti’. Per visualizzare il concetto, pensiamo a un giocatore di biliardo che, in presenza di una bilia ‘impallata’, effettua un tiro indiretto, giocando di sponda. La metasuperficie che abbiamo studiato gioca il ruolo della ‘sponda’ per il segnale elettromagnetico, ed è in grado di controllare con grande precisione la direzione, la distribuzione angolare e la frequenza del segnale riflesso, in modo da focalizzare al meglio l’energia verso ricevitori multipli. L’idea, al momento futuristica, è di rivestire con superfici di questo tipo gli ambienti interni (muri, pavimenti) ed esterni (fondo stradale, facciate di edifici), in modo da sfruttare attivamente le riflessioni dall’ambiente circostante per ottimizzare il canale di comunicazione. Ovviamente, vista la mobilità intrinseca degli utenti, queste superfici devono essere ‘intelligenti’, in modo da riadattare in tempo reale la loro risposta ai mutamenti rapidi dello scenario di propagazione”.

“Le nostre metasuperfici sono costituite da elementi metallici stampati di dimensioni millimetriche, dotati di interruttori elettronici (diodi) che ne riconfigurano la risposta, cambiando ad esempio il ritardo di fase nella riflessione - aggiunge Castaldi -. Nel caso più semplice, in cui ogni elemento è controllato da un solo diodo, è possibile descrivere la metasuperficie mediante una sequenza binaria, in cui i bit ‘1’ o ‘0’ indicano l’interruttore chiuso o aperto. I diodi sono controllati elettronicamente da un circuito integrato, e quindi la struttura è completamente programmabile, e la sua risposta elettromagnetica è estremamente versatile. Modulando opportunatamente, nel tempo e nello spazio la sequenza digitale, è possibile controllare la riflessione delle onde sia nello spazio (ad esempio, concentrarla verso particolari direzioni) sia in frequenza. Nel nostro studio abbiamo sviluppato un algoritmo che consente di determinare in maniera molto veloce e sistematica le sequenze digitali ottimali per controllare i segnali riflessi a frequenze multiple in maniera simultanea e indipendente. Si tratta della prima dimostrazione in assoluto di questo principio, che apre una nuova strada di enorme interesse per i sistemi wireless di prossima generazione”.

“I risultati teorici sono stati validati sperimentalmente su un prototipo operante a 10 GHz, mostrando un buon accordo con le previsioni - concludono i ricercatori -. Al momento, si tratta di una prova di principio, ma stiamo già lavorando a schemi di modulazione più veloci (basati sul grafene) che dovrebbero consentire l’operabilità a frequenze dei sub-terahertz di interesse per i futuri sistemi 6G. Stiamo anche studiando l’integrazione di sensori e tecniche di intelligenza artificiale che consentano alla metasuperficie di riconoscere possibili variazioni dello scenario e riadattare autonomamente la sua risposta per ottimizzare la qualità del segnale”.