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Telefonia cellulare
La telefonia mobile è un elemento strategico delle comunicazioni.
L'immagine che colora la parte alta di questa pagina verrà richiamata in
seguito. Come introduzione basti osservare che:
- la copertura della superficie è realizzata con pochi colori
- i colori sono ripetuti regolarmente
- la distanza tra due aree dello stesso colore è relativamente elevata
Le generazioni di telefonia mobile
La telefonia mobile è disponibile in Italia dal 1973. In sintesi le varie
tecnologie che si sono succedute sono indicate con il termine
generazione (G), identificate da un numero e, a volte, da una sigla:
- RTMI (non cellulare) e RTMA, in
genere solo per uso automobilistico visto peso e dimensioni degli
apparati "portatili". Obsoleto
- 1G (TACS): telefonia analogica, senza dati.
Obsoleto
- 2G (GSM): telefonia digitale cifrata, con modesta
capacità di trasmissione di testo (SMS o poco più). La rete è in Italia oggi
operativa oltre che per le trasmissioni vocali, come rete per antifurti, localizzatori
GPS e simili grazie alla copertura praticamente totale del territorio. Tecnologie
simili sono utilizzate anche nella telefonia cordless in ambito
residenziale (DECT)
- 3G (UMTS): pieno supporto dell'accesso ad Internet.
Attualmente in fase di abbandono
- 4G (LTE, Long Term Evolution - nota
1), tecnologia ampiamente diffusa sul territorio italiano
- 5G, tecnologia ampiamente diffusa sul territorio italiano,
soprattutto nelle aree con maggior densità di popolazione.
4G
La telefonia di quarta generazione è iniziata ufficialmente un Europa nel
2010 ed identifica un insieme piuttosto ampio di diverse tecnologie in
continua evoluzione.
4G utilizza varie frequenza, che dipendono anche dalle normative
nazionali. In Europa abbiamo:
- Frequenze intorno agli 800 MHz, in precedenza utilizzate dalle
trasmissioni televisiva analogiche (nota 5) e dalla
telefonia 3G
- Frequenze intorno a 1 800 MHz, in precedenza (ed in parte ancora
attualmente) utilizzate
dalla telefonia 3G
- Varie bande intorno a 1 900, 2 100, 2 600 MHz ed altre, fino a
3 700 MHz, in precedenza occupate da numerosi servizi
soprattutto legati alla difesa e agli
apparati radar per uso civile
Normalmente per una comunicazione sono utilizzate due frequenze, una per
l'uplink (trasmissione dal dispositivo mobile alla rete fissa), in genere a
frequenza più bassa, ed una per il downlink, Per esempio la banda a
1 800 MHz usa le frequenze:
- comprese tra 1 710 MHz e 1 785 MHz per l'uplink
- comprese tra 1 805 MHz e 1 880 MHz per il downlink
La banda associata a ciascun singolo utente è variabile tra circa 1 e
20 MHz in funzione delle tecnologie utilizzate. Ovviamente bande più ampie
permettono una maggior capacità
di canale, ma anche un minor numero di canali utilizzabili in
contemporanea.
La potenza di trasmissione dal lato fisso è tipicamente superiore a
qualche centinaio di watt fino a superare il migliaio, in funzione della dimensione della cella. La potenza
trasmessa dal telefono è di 1 W o poco più, difficile da aumentare se non
compromettendo in modo significativo la durata della batteria.
Anche le tecniche di modulazione e canalizzazione usate sono molte:
- OFDM per il downlink, con
velocità in condizioni ottimali superiori a diverse centinaia di megabit
al secondo
- Per l'uplink alcune tecnologie usano
OFDM (privilegiando la velocità),
altre varianti di FDM (privilegiando
il consumo energetico)
- MIMO, in entrambi i versi, in
genere di tipo 2x2 (nota 4)
- QAM, in genere 64-QAM
- Possibilità di aggregare più canali, anche su bande differenti (LTE
Advanced)
In genere la velocità massima di connessione permessa da una tecnologia
LTE viene indicata con il termine categoria (Cat) seguito da un
numero che varia da 0 a 21. Per esempio abbiamo:
- LTE Cat 0: uplink e downlink fino a 1 Mbit/s
- LTE Cat 6: uplink fino a 50 Mbit/s e downlink fino a 300 Mbit/s
- LTE Cat 18: uplink fino a 150 Mbit/s e downlink fino a 1 100 Mbit/s
Le tecnologie di categoria 6 e superiori sono indicate come LTE
Advanced o LTE+.
5G
La telefonia di quinta generazione ha numerosi obbiettivi:
- Aumentare la velocità di connessione sia per i dispositivi mobili che per
quelli fissi, teoricamente fino a 10 Gbit/s
- Permettere la connessione contemporanea di numerosi dispositivi, con particolare
attenzione al colloquio M2M (Machine
to Machine) e all'IoT(Internet
of Things). In questo contesto riveste particolare rilievo il concetto
di slicing cioè la creazione di sottoreti virtuali in relazione
alle diverse tipologie di servizi richiesti
- Ridurre il consumo energetico in modo significativo, fino ad un
fattore 10 per singolo bit trasmesso
- Riduzione del tempo di risposta (latenza)
Si può notare che questi obbiettivi sono in parte sovrapponibili con
quelli delle recenti versioni di WiFi, tecnologia con la quale sono
peraltro previste in futuro forti interazioni.
5G utilizza varie frequenza, che dipendono anche dalle normative
nazionali. In Europa abbiamo:
- Frequenze tra 700 e 800 MHz (5G Low band), in precedenza utilizzate dalle
trasmissioni televisiva analogiche (nota 5), adatte
per coprire aree ampie a bassa velocità. Occorre segnalare che l'uso di
tecnologie 5G DSS (Dynamic Spectrum Sharing) permette di condividere
alcune frequenza tra 4G e 5G. Queste bande permettono coperture e
prestazioni sovrapponibili a quelle ottenute con tecnologie 4G
- Frequenze tra 2,5 e 3,7 GHz (5G Mid band), con copertura tipicamente inferiore al
chilometro, ad alta velocità (fino a 1 Gbit/s). Attualmente poco
più del 50% delle celle usano queste frequenza, coprendo circa l'80%
della popolazione
- Frequenze tra 25 e 39 GHz (5G mmWave, onde millimetriche), con copertura tipicamente di poche
centinaia di metri ad altissima velocità (1 Gbit/s ed oltre).
Attualmente (fine 2024) in Italia sono installate poco più di una BTS 5G
ogni 1 000 abitanti, equamente divise tra Low Band e Mid Band. Le onde
millimetriche non sono praticamente utilizzate in Italia e in Europa.
Occorre inoltre dire che le reti 5G stand alone (cioè non
appoggiate sulle infrastrutture 4G) sono sostanzialmente assenti.
La cella
In un sistema di dispositivi mobili non è tecnicamente possibile
coprire un'area molto ampia con una singola antenna fissa. Tre le ragioni:
- Se la distanza è elevata, serve una potenza di trasmissione elevata
per avere un SNR adeguato e quindi una comunicazione sufficientemente
veloce. Tale scelta è incompatibile con apparecchiature alimentate con
una
batteria di dimensione ragionevole
- I canali radio disponibili sono in numero limitato e dunque
insufficienti per un numero di utenti molto elevato
- L'orografia del terreno può facilmente creare zone d'ombra
dove il segnale è assente
La soluzione universalmente adottata è quella di dividere il territorio in
piccole aree (celle)
coperte da una BTS (Base Transceiver Station, stazione radio base) che trasmette
e riceve un piccolo gruppo di frequenze. Questo
risolve i tre problemi sopra menzionati:
- Una cella sufficientemente piccola dal punto di vista fisico
permette di usare una potenza di trasmissione relativamente
ridotta pur mantenendo elevato il SNR
- I canali radio usati in una cella possono essere utilizzati un
un'altra cella, purché sufficientemente lontana (tecnicamente si
parla di
riuso delle frequenze). L'immagine di apertura può essere riletta
interpretando ciascun colore come un piccolo insieme di canali che
vengono più e più volte riutilizzati in aree a distanza relativamente
grande
- La distribuzione delle celle sul territorio può adattarsi
all'orografia, riducendo le aree senza copertura radio
Il criterio di dimensionamento delle celle sono principalmente legare al
numero di utenze previste:
- nelle aree ad elevata densità abitativa servono celle di piccole
dimensioni, per diminuire la distanza per il riutilizzo di una frequenza
e quindi aumentare il numero di comunicazioni contemporanee in una certa
area
- la costruzione di molte BTS (e quindi molte celle) è un
costo giustificato solo da un numero elevato di utenze
- Celle piccole significa SNR elevato a parità di potenza in
trasmissione e quindi potenzialmente maggiori
velocità di connessione
La forma di una cella è evidentemente circolare o ellissoidale, con
l'intensità massima del segnale elettromagnetico al centro della cella (nota
2). Nelle aree di "confine" tra più celle è ricevuto il segnale di più
antenne fisse.
Convenzionalmente una cella è disegnata come esagonale.
Nella figura seguente è mostrata in modo schematico una serie di celle:
- con un numero tra 1 e 9 è identificato un insieme di canali radio
usato entro una cella e riutilizzato in un'altra cella posta ad una
certa distanza, sufficientemente lontana per non creare interferenze
- In colore azzurro è evidenziato un cluster, cioè un insieme
di celle dove sono usati tutti i canali radio disponibili
- In colore rosso sono evidenziate tre celle che formano un clover
(trifoglio): le tre antenne, una per ciascuna cella, sono poste in corrispondenza del punto rosso, su
un'unica struttura fisica e sono direttive con un angolo di circa 120° per
coprire ciascuna una cella.
Normalmente le BTS sono poste in luoghi elevati, con le antenne leggermente
inclinate verso il basso di qualche grado (tilt); spesso lo stesso
luogo ospita antenne per più tecnologie e più operatori.
Nella cartina seguente sono mostrati i siti posti nelle
vicinanze della mia scuola dove sono presenti le BTS dei vari operatori (nota 3):
- i cerchi rossi identificano le antenne relative ad un clover,
riconoscibili dalla presenza di gruppi di tre antenne orientate a 120°
tra di loro. Poco sotto la fotografia di due di
esse, quelle più vicine alla scuola, nascoste dall'andamento orografico
- il cerchio verde individua una microcella installata presso
un supermercato, per uso privato
La prima immagine
è relativa al tetto di un edificio piuttosto alto posto a Casatenovo; sono presenti
antenne di Wind/Tre, Vodafone, Iliad e Tim oltre ad alcune parabole di ponti
radio:
La seconda fotografia l'ho scattata al confine tra Besana e Monticello
Brianza, in aperta campagna:
Note
- Tecnicamente LTE è a cavallo di terza e quarta generazione ed è per
questo a volte indicata come 3.9G oppure come pre-4G
- Evidentemente anche la presenza di ostacoli va tenuta in
considerazione
- Fonte: https://castel.arpalombardia.it/castel
- Normalmente una stazione base LTE utilizza 4 antenne per settore; il
telefono, per ragione meccaniche, si deve limitare a 2 sole antenne
- Attualmente le trasmissioni televisive (DVB-T2, Digital Video
Broadcasting - Second Generation Terrestrial) usano le frequenza
comprese tra 470 e 694 MHz
Pagina creata nel maggio 2022
Ultima modifica: 22 novembre 2025
