Telefonia cellulare

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Celle di colori

In preparazione

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), la tecnologia attualmente più diffusa sul territorio italiano
5G, in avanzata fase di introduzione, ma attualmente con copertura limitata alle 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 di qualche decina di watt, 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 di WiFi 6, 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, in precedenza utilizzate dalle trasmissioni televisiva analogiche (nota 5), adatte per coprire aree ampie a bassa velocità
Frequenze tra 2,5 e 3,7 GHz, con copertura tipicamente inferiore al chilometro, ad alta velocità (fino a 1 Gbit/s). Queste sono le bande oggi più utilizzate e permettono coperture e prestazioni sovrapponibili a quelle ottenute con tecnologie 4G
Frequenze tra 25 e 39 GHz, con copertura tipicamente di poche centinaia di metri ad altissima velocità (1 Gbit/s ed oltre). Attualmente l'uso di queste bande è poco più che sperimentale

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.

Cluster

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. L'immagine seguente è relativa al tetto di un edificio posto nel mio paese.

Antenne per telefonia cellulare

Infine nella cartina seguente sono mostrate le BTS poste nelle vicinanze della scuola dove insegno, in rosso (nota 3). Da notare che le due BTS più vicine sono nascoste da due piccole alture...

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://lteitaly.it/it
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: 17 giugno 2022