Sul mondo delle telecomunicazioni abbiamo assistito ad una crescita strepitosa, oltre ogni previsione. Se guardiamo agli ultimi trent'anni rispetto alla velocità e servizi offerti, siamo passati dai 10 kbit/s per canale che offriva il GSM nei primi anni 90, fino ad arrivare ad oggi, grazie al 5G, a 1 Gbps (Gigabit per secondo) teorici per canale.

La trasmissione su rame è passata dai 144 kbit/s dell'ISDN del 1995 fino ai 300 Mbit/s del VDSL-Vectoring sui 300 metri, per arrivare a connessioni a 10 Gbit/s grazie allo sviluppo della fibra ottica e all’evoluzione delle tecnologie GPON.

Per progettare il futuro bisogna guardare con attenzione al passato.

Le tecnologie Radiomobili dal 1980 ad oggi

Il primo cellulare nasce negli anni ’80, i telefoni erano delle vere e proprie radio e funzionavano a poche centinaia di MHz e le telefonate erano facilmente intercettabili.

La prima generazione, detta 1G, si basava sulla tecnologia TACS (Total Access Communication System).

I sistemi 2G (2nd Generation, ovvero “di seconda generazione”) nascono negli anni '90, sono alla base dell’attuale configurazione radio delle antenne radio mobili, si basano sullo standard GSM (Global System for Mobile communication) e usano la tecnologia radio di accesso TDMA (Time Division Multiple Access). La sua standardizzazione prevede il servizio voce e un servizio di trasferimento dei dati con velocità bassissime, nascono gli SMS (Short Message Service) che potevano contenere al massimo 160 caratteri. Viene introdotta anche la crittografia delle trasmissioni radio.

Con il GPRS (General Packet Radio Service) nascono le reti di 2.5G, precursori della 3a generazione. Il GPRS introduce la possibilità di avere più canali fisici con più slot associati allo stesso utente. Le velocità raggiunte sono dell’ordine di 20-40 Kbps.

Con il GPRS vengono sdoganati sul mercato gli MMS (Multimedia Messaging Service), quei costosissimi messaggi multimediali usati per inviare foto, oggi sono di fatto spariti grazie ai social network.

I sistemi 3G si sviluppano nei primi anni del 2000, si basano sullo standard UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) e adottano la tecnologia CDMA (Code-Division Multiple Access).

L’UMTS si basa sui codici e non più sulle frequenze, si propone di offrire servizi multimediali, oltre voce e messaggi, quali: accesso a Internet, streaming audio e video, garantendo una buona qualità del servizio. Le velocità teoriche vanno dai 380 ai 700 Kbps.

Con l’introduzione dell’ LTE (Long Term Evolution) nascono le reti 3.5G, tecnologia intermedia tra la 3a e la 4a generazione. Tale standard sfrutta la tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output) che sarà poi sfruttato a pieno con il 4G e anche con il 5G. Grazie all’HSPA (High Speed Packet Access) si arriva ad una velocità di download teorica di 14,4 Mbps.

Antenna rete radiomobile

 

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I sistemi di quarta generazione (4G) nascono nel 2010, si basano sullo standard di connessione LTE e impiegano l'innovativa tecnologia OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Mutiple Access).  Le reti 4G offrono servizi sempre più multimediali, fruizione di video e streaming di alta qualità, ma soprattutto maggiore velocità in termini di trasmissione dei dati in download e in upload.

In termini pratici, grazie alla diffusione del 4G, è stato possibile l’integrazione totale dei social network e di piattaforme di intrattenimento come ad esempio Netflix, Now Tv , Amazon Prime, Spotify, ecc.

È attualmente la rete con maggiore copertura e con una buona velocità media di connessione con qualsiasi operatore. Possiamo arrivare ad una velocità di picco fino a 150 Mbps, ma nell’uso quotidiano si arriva attorno ai 20-30 Mbps.

Grazie al 4G la banda dedicata ad Internet si è allargata arrivando ai 100 Mbit/s di download dei primi sistemi LTE. Col sistema LTE Advanced (4G Plus) e LTE Advanced Pro (4.5G) si è raggiunto ben oltre un 1 Gbit/s.

Connettività radiomobile

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In questi ultimi anni, nel 2020 nascono i sistemi 5G.
Il 5G indica l’insieme di tecnologie di telefonia mobile, i cui standard definiscono la quinta generazione della telefonia mobile con una significativa evoluzione rispetto alla tecnologia 4G Advanced. Grazie alla sua tecnologia innovativa, permette di connettere nello stesso momento un gran numero di dispostivi garantendo un’altissima affidabilità, assicurando una velocità più elevata di connessione, una minore latenza e prestazioni migliori rispetto all’attuale 4G LTE.

Oggi gli obiettivi del 5G sono raggiungere la velocità di 100 Mb/s per le aree densamente popolate e la capacità massima di 20 Gb/s in Download, con latenze inferiori al millisecondo e supporto a terminali in movimento fino a 500 Km/h.

Inoltre, il 5G mira ad essere in grado di gestire milioni di device per cella. Come era stato già annunciato, le previsioni sul 5G vanno nella direzione di una copertura del 65% della popolazione mondiale entro la fine del 2025 e la trasmissione di un 45% del traffico globale mobile.

Per ottenere elevate velocità di download sarà necessario operare su porzioni di spettro grandi almeno quanto quelle dell’LTE (da 20 MHz fino alle centinaia di MHz in carrier aggregation per l'LTE Advanced), esplorando nuove porzioni dello spettro radio (spettro a microonde e a onde millimetriche, fino a 100 GHz) ed adottando tecniche di "small cells" e di "massive MIMO" (Multiple Input Multiple Output).

Architettura di rete

2G - Rete Mobile GSM
Lo schema logico del GSM è:

BTS (Base Trasmission Station) -> BSC (Base Station Controller) -> MSC (Mobile Switching Center)

La BTS è l’antenna che fornisce copertura su una determinata area, generalmente è formata da 3 celle ognuna con copertura a cono di max 120°, con tre celle si riesce a garantire la copertura su tutta un’area circolare.

Tra di loro le BTS sono in continua connessione, una BTS può autonomamente scambiare dati con le BTS adiacenti. Un insieme di BTS viene gestito da un controllore centrale, BSC, che serve a regolarizzare il flusso dei dati tra le varie BTS.

A sua volta più BSC, nella stessa zona (location Area), fanno capo ad un MSC, controllore ad alto livello di un’intera area, con finalità di commutazione da e verso le altre reti di telecomunicazioni fisse, quali: la rete telefonica (PSTN, Public Switched Telephone Network) e la rete dati Internet.

Con le reti GPRS vengono aggiungi all’architettura di rete dei nuovi nodi: l’SGSN (Serving GPRS Support Node) e GGSN (Gateway GPRS Support Node).

Il primo è come se fosse un grosso router con funzionalità di MSC (Mobile Switching Center), include funzionalità di autenticazione ed encryption, gestisce la mobilità. Il secondo è un gateway e si interfaccia con la rete dati esterna (Internet).

Antenne e connettività mobile

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3G - rete Mobile UMTS
Lo schema logico della rete di 3° generazione è il seguente:

NodeB -> RNC -> SGSN -> GGSN -> Internet

Il NodeB rispetto alla classica BTS ha un controllore al suo interno, quindi riesce in autonomia a gestire alcuni dati di traffico (voce/dati).

L’RNC (Radio Network Controller) è un controllore radio 3G preposto alla gestione degli handover tra le celle, alla gestione della memoria ed all’allocazione delle risorse radio e di trasporto.

4G - rete Mobile LTE
Rivoluziona l’architettura di rete del sistema radio mobile, una nuova core network completamente basata su IP. Di fatti:

EnodeB ->  MME -> SGW -> PGW

L’EnodeB, detto Evolved NodeB, è appunto un’antenna evoluta che al suo interno ingloba anche le funzionalità di un BSC/RNC delle precedenti tecnologie

L’EnodeB può avere diverse celle con frequenze diverse e il sistema radio permette di spostare le frequenze dalle più lunghe alle più corte in base all’utilizzo dell’utente.

Se si ha basso utilizzo dati e/o fonia viene utilizzata la frequenza bassa, una copertura più ampia e minore velocità di connessione.
Man mano che il traffico fatto dall’utente si intensifica, viene automaticamente trasferito alle frequenze via via più alte, accorciando il raggio di copertura e aumentando la velocità di trasmissione.

Questo garantisce maggiore scalabilità dei servizi e coesione di più sistemi.

L’architettura di rete del 4G prevede una separazione completa tra le entità preposte al controllo della mobilità, denominate MME (Mobility Management Entity), e i nodi di trasporto, che sono il SGW (Serving Gateway) ed il PGW (PDN Gateway).

L’MME termina soltanto traffico di segnalazione e si dimensiona in base al numero di utenti connessi. Invece, SGW e PGW sono nodi di commutazione che si dimensionano in base al traffico da smaltire.

Le tecnologie tra loro coesistono: su uno stesso traliccio possiamo avere antenne 2G, 3G e 4G, impiegando la rete e quindi la user experience dell’utente, in base all’utilizzo dei dati.

Antenne 4G e 5G

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5G
Le antenne del 5G sono le cosiddette "antenne intelligenti" MIMO (Multiple Input Multiple Output), ciascuna delle quali racchiude un numero di diverse antenne più piccole capaci di emettere onde radio in modo direzionale solo su richiesta, ossia solamente nel momento in cui i dispositivi hanno esigenza di connettersi alla rete.

Questo costituisce il tratto distintivo delle antenne 5G rispetto alle antenne standard che invece emettono continuativamente onde radio nell'ambito di una determinata cella.

Le antenne 5G hanno pertanto la capacità di mettersi in "stand-by" quando non sono attivate, potendo così risparmiare energia e andando a impattare in modo minore sull'area geografica servita.

Il 5G non deve essere considerata solo come una rete mobile evoluta, ma come quella tecnologia che integra 2G, 3G, 4G, Wi-Fi e altre tecnologie Wireless (Bluethooth, Zig-bee, ecc).
Questo permette, all’interno di una copertura altamente capillare, di aumentare la raggiungibilità i il dialogo tra i dispositivi di uso quotidiano.
IL 5G è dunque la tecnologia che porterà all’esplosione dei servizi M2M (Machine to Machine) e dell’IoT (Internet of Thing), dando cosi la nascita dell’iperconnettività.

Per quanto riguarda l’architettura logica delle reti 5G, grazie alla virtualizzazione, ogni network element della core network diventa una VNF (Virtual Network Function).
 
Si ha la possibilità di implementare una rete a “strati logici”, in cui ogni singolo strato gestiste servizi con pre-requisiti di performance diversi, tale approccio è definito Network Slicing.

Copertura della rete cellulare

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Copertura Cellulare

È necessario frazionare il territorio da coprire in tante celle o unità elementari di ricetrasmissione ciascuna con una propria stazione radio base (antenne direttive) di potenza ridotta, ma sufficiente a ricoprire in modo più o meno uniforme l'area racchiusa dalla cella stessa realizzando così una copertura cellulare.

Le antenne tra di loro, oltre ad essere vicine e in connessione, sono anche in sovrapposizione di segnale, questo per far sì di non avere buchi di copertura quindi vi sono delle aree in cui l’utente è servito contemporaneamente da più antenne.

In questo modo il nostro dispositivo potrà connettersi alla cella di una determinata antenna che ha il segnale più forte in quel dato momento.


Non è detto che sia l’antenna più vicina, dipende dal numero di utenti connessi in una determinata antenna. In caso di aree affollate, infatti, un utente che magari in un determinato momento fa un basso consumo di dati, potrebbe essere agganciato ad una cella di un’altra antenna magari più distante ma che in quel momento è meno densa di popolazione.

Questo è il compito principale dell’ingegneria del traffico, che classifica i tipi di traffico radio in base agli utenti, presenza o meno, tipologie di chiamate, durata, ecc.
Inoltre, i progettisti dei vari operatori telefonici hanno la possibilità di dare priorità ad una determinata cella piuttosto che ad altre rispetto all’area di copertura.

I nostri dispositivi, pur non essendo attivi (idle, nè in chiamata nè in trasmissione dati) lanciano continuamente dei "ping" (microsegnali) per connettersi alle antenne più vicine e costantemente viene aggiornato sulla potenza del segnale su ciascuna di queste antenne per le diverse tecnologie.

Il raggio di copertura di una cella radio mobile secondo gli standard teorici può variare da 35Km (2G), 20 Km ( 3G-4G), fino ad arrivare ad un centinaio di metri (4G-5G).

Più le celle si riducono come copertura, più aumenta virtualmente la capacità, quindi le prestazioni dei nostri dispositivi, e diminuisce di conseguenza la latenza. Tuttavia, diventa sempre più difficile gestire la mobilità degli apparati.
Questo concetto di mobilità, viene gestito dal cosiddetto handover, ovvero ciò che ci garantisce la possibilità di rimanere in una determinata chiamata, o connessioni ad una pagina web o ancora in una video chiamata, quando siamo in movimento.

Handover

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Handover
Nell'ambito della telefonia mobile con il termine handover (o handoff) si intende la procedura per la quale un terminale mobile cambia il canale (frequenza e slot di tempo) che sta utilizzando durante una comunicazione, mantenendo attiva la comunicazione stessa.

Le tre tipologie di handover sono state classificate come segue:

  • Intracell handover: il canale nuovo su cui si accamperà il terminale appartiene alla stessa cella del canale vecchio. Ovvero il dispositivo si sposta da una cella all’altra della stessa antenna.
  • Intercell handover: il canale nuovo su cui si accamperà il terminale appartiene ad una cella diversa rispetto a quella del canale vecchio, ma con lo stesso Base Station Controller (BSC). Il terminale viene quindi agganciato da una cella diversa di un’altra antenna adiacente.
  • External handover: il canale nuovo su cui si accamperà il terminale appartiene ad una cella diversa rispetto a quella del canale vecchio e controllata da un BSC diverso.

I moderni terminali radiomobili hanno inoltre le capacità di agganciarsi ai vari sistemi di comunicazione radiomobile disponibili su un territorio, grazie a procedure di switching automatico da un sistema all'altro e a più dispositivi di ricetrasmissione, cioè avere dunque disponibili più forme di connettività in funzione della qualità stimata della trasmissione nei vari sistemi rilevati e/o dei costi.

Queste funzionalità sono a loro volta rese possibili dall'interoperabilità tra le tecnologie wireless esistenti grazie ad opportune procedure di handover da un sistema ad un altro che tentano il più possibile di mantenere in vita una stessa sessione di navigazione, pur nella diversa qualità di servizio offerta.

In particolare se l'handover avviene tra sistemi wireless di capacità equivalente si parla di handover orizzontale, se avviene tra sistemi wireless diversi (es. da UMTS a Wi-Fi) a gerarchia diversa si parla di handover verticale.

Frequenze radiomobili

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Frequenze

Le frequenze dello standard GSM (2G) possono essere 900Mhz, 1800 Mhz.
Nasce da qui il concetto di dual band, molto gettonato negli anni ’90.
Tra l’altro in quegli stessi anni, in America, viene sdoganata anche la frequenza 1900 MHz, creando la cosiddetta Trial-band, ma che ebbe utilizzo solo nel nuovo continente.

Le frequenze utilizzate del 3G sono 900 MHz, 1800 MHz e 2100 MHz.
Le ultime 2 frequenze, con l’avvento del 4G, sono state di volta in volta riutilizzate per le reti di generazione più recenti. Oggi rimangono utilizzate come frequenze sul 3G per lo più i 900 MHz, è facile intuire che ormai le reti di 3° generazione stanno andando in disuso. Negli Stati Uniti e in Canada viene utilizzata anche la frequenza 850 MHz.

Con il 4G assistiamo all’utilizzo di frequenze ben più alte di quelle usate per le reti 3G, ovvero: 2,3 GHz, 2,5 GHz e 3,5 GHz.
Tali frequenze si vanno ad aggiungere alle “standard” 800 MHz, 1800 MHz, 2600 MHz.

Il 4.5G sfrutta le frequenze più alte, ovvero 1,5 GHz, solo per download multicarrier.

Le frequenze di trasmissione del segnale previste per la tecnologia 5G sono: 700 MHz, attualmente utilizzate dalle TV e liberate per il nuovo passaggio al digitale in HD, 3,7 GHz e 26 GHz che sfruttano onde elettromagnetiche che utilizzano frequenze più alte rispetto a quelle usate oggi.

La velocità si anticipa essere 100 volte superiore di quella del 4G. La velocità potenziale massima di 20 Gbps permette di scaricare rapidamente grandi quantità di dati. Es.: il download di un film richiede qualche secondo. La sua velocità è direttamente proporzionale al numero di clienti che si connetteranno alla rete.

Scritto da:
Salvatore De Luca
Area Channel Sales Manager
Appassionato di TLC, digital e innovazione tecnologica. Come Area Manager seguo i rapporti con i clienti, con particolare attenzione ai servizi in ambito cloud e cyber security.
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