telefonìa cellulare
Indice
Definizione
Sistema di telecomunicazioni punto-punto che si avvale di infrastrutture di comunicazioni radio connesse con il sistema telefonico a rete fissa. Gli utenti del sistema di telefonia cellulare non sono localizzati in modo fisso, ma possono spostarsi in un territorio preassegnato: sono perciò detti utenti mobili. Ciascuno di essi dispone di un apposito terminale detto telefono cellulare (o cellulare, o telefonino), al quale è assegnato un numero telefonico detto MSISDN (Mobile Station Integrated Service Digital Network, numero telefonico assegnato al terminale nell'ambito del piano di numerazione della rete ISDN, cioè della rete digitale integrata nei servizi che include la rete telefonica). Ciascun utente mobile può connettersi con altri utenti mobili ovvero con utenti della rete fissa. Nella telefonia cellulare possono essere inviati messaggi telefonici vocali, testi scritti e messaggi multimediali a larga banda. L'insieme delle infrastrutture di comunicazioni radio è detta rete di telefonia cellulare (o rete radiomobile) e si basa sulla suddivisione dell'area di servizio in zone, chiamate celle, ciascuna delle quali è servita da una stazione radio a cui il terminale mobile si connette. Il sistema permette lo spostamento del terminale mobile anche nel corso della comunicazione, compreso il passaggio da una cella a un'altra adiacente, senza provocare l'abbattimento del collegamento. La versatilità del sistema di telefonia cellulare ne ha reso molto rapidi lo sviluppo e la diffusione a livello mondiale. Tra i sistemi attualmente in uso nella telefonia cellulare occorre citare il sistema cellulare a tecnologia digitale GSM (Global System for Mobile Communications, sistema globale per le comunicazioni mobili) e l'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, sistema universale per telecomunicazioni mobili), adatto per servizi a banda larga. Tra i servizi più utilizzati, occorre citare l'SMS (Short Message Service), servizio per la trasmissione di brevi messaggi alfanumerici sulla rete radiomobile GSM , l'MMS (Multimedia Message Service), servizio per l'invio di messaggi multimediali, e il GPRS (General Packet Radio Service), servizio per la trasmissione dati ad elevata velocità.
Cenni storici
I sistemi di telefonia cellulare erano inizialmente indicati come sistemi di radiotelefonia (o telefonia radiomobile), e il loro uso era riservato ad applicazioni nell'ambito della navigazione, prima marittima e successivamente aerea. Essi operavano nelle gamme delle onde corte e ultracorte (sotto i 300 MHz) con attivazione manuale della connessione. Grazie ai progressi tecnologici e alla conseguente riduzione dei costi e delle dimensioni dei sistemi ricetrasmittenti, fu in seguito possibile utilizzare i collegamenti hertziani, cioè realizzati tramite onde radio, anche nel campo delle comunicazioni personali terrestri. Nacquero così negli anni Sessanta del XX secolo i primi sistemi radiomobili di tipo automatico, operanti sopra i 300 MHz. Si trattava di sistemi caratterizzati dall'uso di celle di copertura di grandi dimensioni (20/30 km di raggio), con un numero di canali a disposizione del servizio alquanto limitato (da 20 a 40). L'utente in movimento che, durante la comunicazione, passava da una cella a un'altra, sperimentava un progressivo degrado della comunicazione e il successivo abbattimento della stessa. Peraltro, un utente mobile che desiderasse chiamarne un altro doveva indicarne all'operatore la posizione e quindi la cella di temporanea appartenenza dell'utente chiamato. Nella seconda metà del decennio successivo, al progressivo aumento della domanda di servizio corrispose un rinnovato impegno nella ricerca di soluzioni tecnologiche che potessero superare le limitazioni dei sistemi precedenti. Furono introdotti così i sistemi analogici di telefoni cellulari, che permisero di superare le limitazioni che rendevano i sistemi precedenti assai poco funzionali, gestendo un numero molto più elevato di canali radio (circa 200 per i sistemi operanti nella banda dei 450 MHz, oltre i 1000 per quelli nella banda dei 900 MHz) e celle di dimensioni più ridotte. Ma soprattutto i nuovi sistemi erano in grado di effettuare una commutazione automatica del canale radio durante la conversazione (funzioni hand off e hand over), permettendo così all'utente di spostarsi da una cella all'altra senza interrompere la comunicazione. Inoltre, il riconoscimento automatico e in tempo reale della posizione degli utenti (aggiornamento automatico della localizzazione d'utente) rendeva possibile l'instradamento della comunicazione verso gli utenti mobili senza che l'utente chiamante ne dovesse conoscere la posizione (funzione roaming). Fra i sistemi di questo tipo si può citare l'NMT (Nordic Mobile Telephone, sistema di telefonia mobile del Nord Europa), introdotto nel 1981, il TACS (Total Access Communication System, sistema di comunicazione ad accesso totale), operante in Europa, e l'AMPS (Advanced Mobile Phone Service, servizio telefonico mobile avanzato), operante negli Stati Uniti. In Italia, il primo servizio di telefonia radiomobile venne lanciato dalla SIP nella prima metà degli anni Settanta, con il nome di RTMI (Radio Telefono Mobile Integrato): operante nella banda dei 160 MHz, utilizzava delle celle molto grandi (oltre 20 km) e un numero esiguo di canali radio (dedicati alle maggiori aree urbane e alle principali arterie di comunicazione), con una capacità di servizio di qualche migliaio di utenti. Il servizio era automatico per le chiamate generate da terminale mobile, ma necessitava dell'intervento dell'operatore per le chiamate verso terminale mobile, del quale l'utente chiamante doveva conoscere la posizione. Nel 1984, ormai satura la rete RTMI, entrò in funzione il sistema RTMS 450 (Radio Telephone Mobile System, sistema mobile di radiotelefonia) che rimase attivo fino al 1996. Si trattava di un sistema analogico basato sulla tecnologia cellulare che permetteva all'utente di effettuare e ricevere automaticamente chiamate senza l'intervento dell'operatore e di spostarsi da una cella a un'altra senza essere soggetto all'abbattimento della conversazione. Il sistema operava nelle bande 450-455 MHz per la comunicazione tra terminale e stazione radio e 460-465 MHz per la comunicazione in senso opposto; in ogni banda erano allocati 200 canali radio. La saturazione del sistema RTMS 450 rese necessaria l'introduzione di una rete più evoluta in grado di soddisfare la sempre crescente domanda sia di accessi sia di servizi. Nel 1990 fu resa operativa la rete RTMS 900, per la quale fu scelto lo standard TACS. Furono introdotti dei terminali mobili di dimensioni ridotte che soppiantarono quelli trasportabili e veicolari dei sistemi precedenti. I primi sistemi di telefonia cellulare offrivano condizioni di abbonamento a credito illimitato, erano pertanto fortemente soggetti al pericolo di uso improprio, consistente principalmente nell'utilizzazione del servizio da parte di persone non autorizzate, per mezzo di relativamente semplici duplicazioni delle chiavi di accesso (sistemi di clonazione). Il problema è stato risolto con l'introduzione degli abbonamenti a mezzo di schede prepagate, un sistema di accreditamento che permette di limitare il credito presso il gestore a una cifra di norma piuttosto limitata: una volta esaurita tale cifra, infatti, il servizio è interrotto e può essere riattivato soltanto con l'acquisto di una nuova scheda. Per superare il problema della diversità dei sistemi radiomobili adottati dalle diverse nazioni europee, nel 1982 la Conférence Éuropeenne des Postes et des Télécommunications (CEPT) istituì una commissione tecnica con il compito di definire uno standard europeo per le comunicazioni radiomobili cellulari, che consentisse a un utente di usufruire del servizio utilizzando lo stesso terminale in una qualunque delle nazioni aderenti all'iniziativa. Il risultato delle attività di standardizzazione fu la definizione delle specifiche del sistema radiomobile cellulare a tecnologia digitale GSM, adottato anche da molte nazioni extraeuropee. In Italia il primo servizio GSM fu avviato dalla Telecom all'inizio degli anni Novanta, ma il lancio commerciale del servizio avvenne nell'aprile del 1995 a opera di TIM (Telecom Italia Mobile). Nel corso degli anni Novanta, la telefonia cellulare era servita da infrastrutture di radiocomunicazione che comprendevano le picocelle per servizi interni a edifici commerciali o industriali (qualche decina di metri), le microcelle per aree urbane ad alta densità (qualche centinaio di metri) e le macrocelle per servizi di tipo rurale (diametri fino a circa 30 km). Per le aree prive di infrastrutture di terra erano presenti le celle satellitari con diametri superiori ai 500 km. Nei sistemi radiomobili rientravano sia i cordless (sistema domestico costituito, al limite, da una sola cella) e i sistemi cellulari, nei quali la mobilità fra celle adiacenti era garantita, in tempo reale, dalla procedura del hand over. Il roaming era la procedura con cui era possibile utilizzare il servizio, anche fra reti servite da gestori differenti. La tendenza era quella di sviluppare standard compatibili almeno a livello continentale, per permettere l'uso di terminali capaci di operare con più sistemi, per esempio terminali dual band, TACS e GSM, in modo che la scelta della modalità operativa fosse controllata da software (software radio). Fra i sistemi cordless era stato standardizzato il sistema DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications, telecomunicazioni senza fili digitali avanzate), con lo scopo di permettere l'impiego non solo nell'ambito di un'abitazione, ma su un territorio di tipo urbano. La tendenza, inoltre, a sviluppare sistemi e servizi multimediali a larga banda portava allo sviluppo del sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), che permette l'accesso in rete in aree urbane ed extraurbane, e in tutto il mondo, attraverso terminali palmari adattabili e riprogrammabili. Il sistema IMT-2000 (International Mobile Telephone-2000), invece, permetteva il roaming fra diverse reti, fisse e mobili, con accesso a servizi multimediali, la navigazione su www (World Wide Web) e l'accesso a data base. La trasmissione dei dati avveniva con uno standard superiore a quello usato in trasmissione di sola fonia, che andava dai 144 kbit/s per spostamenti veloci ai 2 Mbit/s in ambienti chiusi. L'uso di sistemi cellulari per trasmissione di dati a elevata capacità, inoltre, era legato anche a probabilità di errore sul bit (BER) non superiore a un milionesimo (per i servizi in fonia i valori di BER possono essere 1000 volte superiori). Nella classificazione dei sistemi di telefonia cellulare vengono indicati come di prima generazione quelli utilizzanti tecniche analogiche (per esempio il sistema TACS), di seconda generazione quelli utilizzanti tecniche digitali (per esempio il GSM), di terza generazione quelli a larga banda (per esempio Il sistema UMTS). Ad altri servizi vengono assegnate posizioni intermedie, come nel caso del GPRS, detto di generazione due e mezza, in quanto, pur utilizzando la tecnologia GSM, impiega una tecnica di modulazione che permette di accedere a servizi a larga banda.
Sistemi di accesso alla rete radiomobile
Si tratta di apparati e procedure di servizio standardizzate (protocolli) che permettono di identificare un terminale di utente del servizio radiomobile, di localizzarne la posizione e connetterlo alla rete. A tale scopo l'area geografica servita dal sistema di telefonia cellulare è suddivisa in zone contigue, dette celle, ciascuna delle quali è servita da una stazione radio base BTS (Base Transceiver System, sistema base di ricetrasmissione), dotata di opportune antenne radio, e controllata da un sistema di controllo e supervisione BSC (Base Station Controller, sistema di controllo delle stazioni di base) che instaura l'opportuna interfaccia verso la centrale di commutazione. Insiemi prossimi di BTS possono fare capo a un'unica centrale di commutazione e, in particolare, a un centro di commutazione per telefonia mobile MSC (Mobile Switching Center). In generale l'area geografica servita da un certo MSC può comprendere più celle (tutte quelle servite dai BTS che fanno capo al centro MSC considerato); tale area è detta area di localizzazione LA (Location Area). All'atto dell'attivazione dell'abbonamento, ciascun utente viene registrato presso un certo centro MSC (MSC di residenza) su un apposito registro elettronico detto HLR (Home Location Register, registro di allocazione permanente): qui, per ogni utente ivi residente, sono memorizzati il codice identificativo (IMSI), il numero telefonico (MSISDN), le sue condizioni di abbonamento, il credito residuo, ecc. Poiché l'utente è libero di muoversi nell'ambito del territorio servito, di norma esso non si trova in una delle celle servite dal proprio MSC di residenza, ma in una cella servita da un altro MSC, detto MSC ospite. Appena acceso, il telefonino rileva, attraverso l'antenna, la presenza di più segnali di identificazione dalle BTS più vicine e provvede a individuare fra questi quello di maggiore intensità. Invia quindi un messaggio alla BTS prescelta allo scopo di instaurare il collegamento ed effettuare la propria registrazione. La BTS si mette in comunicazione con il centro MSC a cui fa capo, che provvede a iscrivere i dati dell'utente nel registro ospiti VLR (Visitor Location Register). Attraverso i dati identificativi dell'utente, il centro MSC ospite provvede a mettersi in collegamento con il centro MSC di residenza, che, a sua volta, sulla base del codice di identificazione del centro MSC ospite, memorizza nel registro HLR l'ora e il luogo di posizione dell'utente. Il centro MSC di residenza provvede inoltre a inviare a quello ospite un messaggio di validazione (o meno) dei diritti di accesso alla rete da parte dell'utente e ad assegnargli un numero telefonico temporaneo MSRN (Mobile Station Roaming Number, numero provvisorio del terminale mobile). Nel caso che ci sia una chiamata verso l'utente radiomobile, viene seguito il seguente protocollo di instradamento della comunicazione: attraverso il numero di telefono MSISDN, viene identificato il registro HLR di residenza dell'utente chiamato; attraverso il numero temporaneo MSRN, la richiesta di comunicazione viene instradata verso il centro MSC ospite; la chiamata raggiunge la BTS della cella in cui si trova l'utente; infine, la comunicazione viene inviata sulla tratta radio terminale verso l'utente mobile. Se, durante la conversazione, l'utente si muove e raggiunge il confine della propria cella, il segnale della BTS a cui è collegato diviene via via più basso, per essere superato dal segnale della BTS di una cella contigua. Inizia allora una nuova procedura di accreditamento presso un diverso centro MSC ospite (protocollo di hand over), e quando il protocollo di registrazione sarà completato, il registro HLR memorizzerà il cambiamento e provvederà a cancellare i dati di registrazione presso il vecchio MSC (protocollo di hand off). Le procedure che avvengono in regime di mobilità dell'utente non provocano l'abbattimento della conversazione, a meno che la velocità di transito fra una cella e la successiva non sia eccessivamente alta. Se l'utente esce dall'area geografica assegnata al gestore presso il quale ha effettuato l'abbonamento, può essere servito da un altro gestore: in questo caso si dice che l'utente si trova in regime di roaming presso il gestore ospite. La registrazione di un utente sul registro VLR del centro MSC ospite è temporanea. All'atto dello spegnimento, il terminale invia la propria richiesta di disconnessione; il centro MSC ospite invia a sua volta un opportuno messaggio di disconnessione che sarà memorizzato nel registro HLR di residenza, presso cui, comunque, rimangono memorizzate le informazioni relative alle chiamate effettuate da ogni utente (la data, l'ora e il destinatario della chiamata e le reti visitate in roaming). Se l'utente ha il terminale acceso e si trova in un'area coperta dal servizio radiomobile, viene memorizzata anche la sequenza delle successive posizioni del cellulare. Tecniche particolarmente sofisticate consentono di localizzarne la posizione con una precisione inferiore ai 10 metri: la prima si basa sulla misura delle differenze dei tempi di ricezione dei segnali di sincronizzazione relativi a più stazioni BTS dalle quali il terminale deve essere visibile (almeno tre); si ottiene così una sorta di triangolazione attraverso la quale possono essere individuate le coordinate del telefono cellulare. Un'altra tecnica fa uso dei segnali satellitari del sistema di localizzazione GPS: in questo caso il terminale deve contenere un ricevitore GPS, le cui funzionalità sono integrate con il sistema di telefonia cellulare (funzione Assisted GPS, attuata con terminali di tipo intelligente).