Reti radio e telefoniche: caratteristiche e funzionamento delle reti cellulari

RETI RADIO E TELEFONICHE

Le reti radio e le reti telefoniche sono entrambe sistemi di comunicazione che permettono di trasmettere informazioni, ma utilizzano diverse tecnologie e hanno scopi diversi. Le reti radio, come quelle cellulari, utilizzano onde radio per trasmettere segnali tra dispositivi, mentre le reti telefoniche tradizionali usano cavi o fibre ottiche.

Le differenze principali tra le due reti sono nel:

• Mezzo di trasmissione: Le reti radio usano onde radio, mentre le reti telefoniche tradizionali possono utilizzare cavi o fibre ottiche.
• Mobilità: Le reti radio permettono la mobilità dei dispositivi, consentendo la comunicazione ovunque ci sia copertura di rete. Le reti telefoniche, soprattutto quelle cablate, sono più fisse.
• Tipologie: Le reti radio comprendono reti cellulari, Wi-Fi e reti wireless. Le reti telefoniche includono reti telefoniche fisse e reti mobili.

Quindi la principale differenza sta nel mezzo di trasmissione. Le reti radio utilizzano onde radio, offrendo mobilità, mentre le reti telefoniche tradizionali (fisse) utilizzano cavi e sono più stabili e affidabili per la telefonia vocale. La telefonia mobile (rete cellulare) combina l'uso di onde radio con la possibilità di collegare dispositivi mobili.

Le onde radio vengono usate per trasmettere segnali tra un dispositivo (ad esempio, un telefono cellulare) e una stazione radio base (una torre di cellulari). La stazione base poi connette il segnale alla rete telefonica o ad internet.

Le reti telefoniche tradizionali, chiamate anche PSTN (Public Switched Telephone Network), utilizzano cavi e sistemi di interconnessione per trasmettere segnali vocali.

Utilizzate Principalmente per la telefonia fissa, ma anche per altri servizi di comunicazione (esempio: la rete telefonica fissa domestica, la rete telefonica aziendale). Qui il segnale vocale viene convertito in un segnale elettrico, che poi viene trasmesso attraverso cavi e sistemi di interconnessione tra due telefoni.

La rete mobile è composta da stazioni radio base che comunicano con i telefoni cellulari, centrali telefoniche che gestiscono le chiamate e la rete di trasporto che collega queste centrali.

Le reti telefoniche mobili utilizzano varie tecnologie, tra cui GSM, UMTS, LTE e 5G, per trasmettere voce e dati. In Italia, i principali operatori di telefonia mobile sono TIM, Vodafone, WindTre, mentre gli operatori virtuali (MVNO) si appoggiano alla rete di questi operatori in quanto sono operatori non hanno una propria rete. tra gli MVNO più noti in Italia troviamo PosteMobile, KenaMobile, Ho Mobile, Very Mobile e Fastweb Mobile. Le reti telefoniche offrono servizi di chiamata, messaggistica, navigazione web e accesso a servizi digitali

La copertura della rete mobile in Italia è ampiamente diffusa, ma ci sono zone dove la ricezione può essere scarsa. A fronte di ciò le reti cellulari possono essere interallacciate con reti satellitari per coprire aree non raggiunte dalla rete terrestre.

CARATTERISTICHE GENERALI DELLE RETI CELLULARI

a)geometria a celle esagonali, b)rapporto potenza utile e interferenza a bordo cella, c)gestione della mobilità, d) Riuso delle Frequenze, e) settorizzazione

Le reti cellulari sono sistemi di telecomunicazione che utilizzano onde radio per trasmettere dati e segnali vocali. Sono organizzate in celle, ciascuna con una propria stazione radio base (SRB), e utilizzano tecnologie come GSM, UMTS, LTE e 5G per fornire servizi di telefonia mobile, internet e altri servizi digitali.

Le reti cellulari offrono una copertura ampia consentendo ai telefoni di rimanere connessi anche in movimento, offrono una connettività affidabile consentendo chiamate e navigazione web, offrono diverse velocità di trasmissione dati che variano a seconda della generazione della rete, offrono una capacità di rete variabile che consente di supportare un numero crescente di utenti e dispositivi e infine offre comunicazione stabile e affidabile anche in situazioni di sovraffollamento o di ostacoli naturali.Generazioni di reti cellulari:

• 2G (GSM): Prima generazione di rete cellulare che supportava solo chiamate vocali e SMS.
• 3G (UMTS): Offre velocità di trasmissione dati maggiori rispetto al 2G, consentendo navigazione web, streaming e altri servizi di dati.
• 4G (LTE): Offre velocità di trasmissione dati ancora maggiori rispetto al 3G, consentendo navigazione web veloce, streaming ad alta definizione e altri servizi ad alta banda.
• 5G: Offre velocità di trasmissione dati ancora più elevate, con latenze molto basse e maggiore capacità di rete per supportare una maggiore quantità di dispositivi e servizi.

Componenti chiave delle reti cellulari

Le Componenti chiave delle reti cellulari comprendono:

• Celle: Aree di copertura servite da una stazione radio base (SRB).
• Stazioni Radio Base (SRB): Antenne che comunicano con i telefoni cellulari nelle loro rispettive celle.
• Mobile Switching Center (MSC): Centralino che gestisce le chiamate tra le celle e la rete fissa.
• Rete di Trasporto (Backbone): Rete di fibra ottica che collega le SRB e i MSC.
• Terminali Mobili (Smartphone, etc.): Dispositivi che si connettono alla rete cellulare.

Funzionamento delle reti cellulari

Funzionamento delle reti cellulari:

1. Il telefono cellulare si connette alla SRB più vicina.
2. La SRB trasmette e riceve i segnali vocali o i dati al e dal telefono.
3. L'MSC gestisce le chiamate e il traffico di dati tra le diverse celle e la rete fissa.
4. La rete di trasporto (backbone) collega le diverse celle e i MSC, consentendo la comunicazione tra i telefoni cellulari e la rete fissa.
5. La rete cellulare si avvale di protocolli come GSM, UMTS, LTE e 5G per la trasmissione dei dati.

Le reti cellulari utilizzano diverse frequenze radio, che determinano la portata, la capacità e la velocità della rete. Le frequenze più basse, come quelle utilizzate dal GSM e dal 4G, offrono una maggiore copertura, mentre le frequenze più alte, come quelle del 5G, offrono una maggiore capacità di trasmissione dati.

Geometria a celle esagonali e rapporto potenza utile e interferenza a bordo cella

a) Geometria a celle esagonali, b) Rapporto potenza utile e interferenza a bordo cella

Le reti cellulari sono spesso rappresentate graficamente come una maglia di celle esagonali, anche se le celle reali hanno forme più irregolari. Questo modello esagonale è una semplificazione utile per la pianificazione e l'analisi della rete, permettendo di prevedere le interazioni tra le celle e di ottimizzare la configurazione, offrendo un buon compromesso tra semplicità e accuratezza.

La forma esagonale facilita la sovrapposizione delle aree di servizio garantendo una copertura continua, permette di assegnare canali radio distinti alle celle adiacenti riducendo le interferenze e consentendo una maggiore efficienza nello sfruttamento della banda di frequenza.

La geometria esagonale facilita l'espansione della rete aggiungendo nuove celle senza dover cambiare la struttura esistente.

In ogni celletta è presente una BTS (Base Transreceiver Stationo Stazione Radio Base) la quale trasmette e riceve su un range definito di canali radio, che è diverso da quello delle celle contigue per poter evitare interferenze. La particolarità di questo network sta nel fatto che ciascuna cella opera ad una potenza ridotta, rendendo così possibile riutilizzare il range di frequenze di una cella in un'altra cella non adiacente.

Anche con questo sistema di trasmissione esistono però alcuni problemi: quando un terminale mobile, durante una chiamata, si sposta da una cella all'altra si rende necessario un metodo che, evitando di terminare la chiamata, si sintonizzi automaticamente sulla frequenza ricevuta meglio nel range della nuova cella. Questo automatismo prende il nome di handover.

Nelle grosse aree in cui il traffico di telecomunicazione mobile è molto elevato, come le reti cittadine, si può adottare l'accorgimento di ridurre la dimensione delle singole celle per poter cosìaumentarne il numero e permettere al sistema di poter gestire un numero maggiore di utenti (GESTIONE DELLA MOBILITA'). Così facendo, però, il sistema si trova a dover gestire un numero maggiore di handover ed inoltre la dimensione delle celle non può essere ridotta oltre determinati valori poiché, riducendo la dimensione delle celle contemporaneamente diminuisce anche la distanza di riutilizzo delle frequenze e come conseguenza aumenta l'interferenza tra le celle che utilizzano lo stesso range di canali radio. Questo tipo di interferenza prende il nome di interferenza cocanale.

Quando si passa da una cella all'altra, l'interferenza cocanale può rendere il processo di handover più complesso e difficile.

Le reti cellulari sono progettate con un meccanismo di pianificazione delle frequenze per evitare interferenze. Tuttavia, le celle più vicine non possono usare la stessa frequenza, poiché ciò causerà interferenza cocanale.

Il segnale radio si propaga in tutte le direzioni, e se due stazioni base trasmettono sulla stessa frequenza, il loro segnale si sovrappone e si interferisce a vicenda.

L'interferenza cocanale è più probabile quando le stazioni base sono vicine e utilizzano lo stesso intervallo di frequenze e può causare disturbo alla qualità del segnale, rendendo le chiamate e la trasmissione dati instabili, in alcuni casi può causare la caduta del segnale impedendo la comunicazione.

Le reti cellulari utilizzano una pianificazione delle frequenze per evitare l'interferenza cocanale, assegnando intervalli di frequenze diverse a celle vicine.

Alcune tecnologie, come la codifica e la modulazione avanzate, possono aiutare a ridurre l'effetto dell'interferenza cocanale.

Un posizionamento strategico delle stazioni base può aiutare a ridurre l'interferenza cocanale, separando le celle che utilizzano le stesse frequenze.

In una rete cellulare, il rapporto potenza utile (signal power) a potenza di interferenza (interference power) a bordo cella è un parametro cruciale per garantire una comunicazione di qualità. Un rapporto alto significa che il segnale desiderato (quello del telefono che comunica con la stazione base) è molto più forte dell'interferenza prodotta da altri segnali, consentendo una ricezione più precisa e una comunicazione più affidabile. Viceversa un rapporto basso significa che il segnale utile è debole rispetto all'interferenza, questo può portare a problemi di comunicazione, come cadute di linea, interruzioni dei dati, o difficoltà nel stabilire una connessione.

A Bordo cella è la zona più esterna di una cella, dove la potenza del segnale della stazione base è inferiore rispetto al centro della cella. In questa zona, l'interferenza da altre celle può essere più marcata. Un buon rapporto potenza utile/interferenza a bordo cella è fondamentale per garantire una rete cellulare efficiente e affidabile, consentendo una comunicazione mobile di qualità, anche in aree con una copertura marginale.

Gestione della Mobilità

c) Gestione della Mobilità

La mobilità è l'elemento caratterizzante le reti cellulari. Per realizzare la mobilità, sono necessarie le seguenti procedure :

• Roaming: È la possibilità data all'utente di essere rintracciabile anche se si sposta all'interno della rete Il sistema deve memorizzare in una base di dati la posizione degli utenti per poterli rintracciare Per memorizzare la posizione dell'utente si divide il territorio in aree dette location area (LA) che sono insiemi di celle;
• Location updating: Questa procedura permette di aggiornare la rete cellulare sulla posizione dell'utente. Nella LA ogni BS diffonde in broadcast il Location Area Identifier (LAI); se un utente riceve un LAI diverso da quello memorizzato informa la rete del suo spostamento richiedendo un location updating per aggiornare la sua nuova posizione.