Introduzione ai sistemi radiomobili

 

INDICE GENERALE
La comunicazione mobile
I sistemi cellulari
I sistemi cellulari analogici
Il sistema GSM
La storia

 

La comunicazione mobile

In questi anni si sta assistendo alla diffusione di massa della mobile communication, ovvero servizi che rendono possibile il mantenimento della connessione, tra due utenti in una rete di telecomunicazione, anche in una situazione di mobilità degli utenti (uno o entrambi).

In ambito militare, e nei servizi pubblici specie marittimo, la comunicazione tra e con mezzi in movimento è sempre stata una esigenza fondamentale. Nel 1921 vennero condotti degli esperimenti dal Dipartimento di Polizia di Detroit negli Stati Uniti con sistemi che consentivano la comunicazione unidirezionale della centrale con gli autoveicoli in dotazione.

Possiamo far coincidere la nascita delle comunicazioni mobili con l'invenzione della modulazione di frequenza FM (frequency modulation) avvenuta nel 1935 da E. H. Armstrong. La modulazione FM varia proporzionalmente al segnale analogico da trasmettere (segnale modulante), la frequenza di un segnale ausiliario sinusoidale (portante), producendo il segnale modulato effettivamente trasmesso sul mezzo trasmissivo (segnale modulato.

Durante la II guerra mondiale si ebbe un notevole sviluppo dei sistemi FM e fu subito evidente che non vi sarebbe stato in futuro la disponibilità di un numero tale di canali radio da poter soddisfare la richiesta dei vari settori: militare, polizia, vigili del fuoco, servizi di trasporto pubblici e privati (taxi) etc. Questi servizi non erano però direttamente connessi alla rete telefonica fissa.

Alla fine degli anni '40 vennero introdotti i primi sistemi di telefonia mobile che, utilizzando un singolo trasmettitore FM, consentivano di coprire una certa area (tipicamente una città), consentendo a una stretta cerchia di persone di effettuare chiamate telefoniche da una automobile durante spostamenti all'interno dell'area stessa. Nella stazione radio la commutazione delle chiamate avveniva manualmente. Naturalmente però si impiegavano i canali radio FM che richiedevano una banda di 120kHz per trasmettere un segnale telefonico che ha una banda base di 4kHz. Perciò si avevano pochi canali radio sovraccaricati. Si cercò allora di ridurre la larghezza di banda del canale. Negli anni '60 la banda del canale si ridusse a 60kHz e negli anni '70 si arrivò a 25kHz

Nei primi sistemi radiomobili ogni terminale di utente operava a una frequenza fissa, perciò si avevano un certo numero di trasmettitori indipendenti (ognuno avente in carico un certo numero di utenti cioè di frequenze). In un secondo tempo si introdussero sistemi di tipo trunked: tutti i canali sono a disposizione di tutti gli utenti, all'occorrenza viene selezionato un canale libero. Inizialmente la selezione del canale avveniva manualmente, poi fu automatizzata.

 

I sistemi cellulari

La svolta si ebbe con l'introduzione dei sistemi cellulari. L'idea base fu concepita negli anni '40, sperimentata negli anni '60, introdotta in sistemi commerciali negli anni '80.

I sistemi non cellulari, effettuano trasmissioni di tipo broadcast (come radio e TV): utilizzando trasmettitori di potenza elevata per coprire una vasta area. Se il numero di utenti non è ridottissimo si ha così un enorme fabbisogno di frequenze radio, tale da impedirne l'effettiva realizzazione.

I sistemi cellulari che realizzano le reti radiomobili, applicano la tecnica del riutilizzo delle frequenze: una frequenza, canale, viene utilizzata più volte in, luoghi diversi sufficientemente lontani tra loro.

Si suddivide il territorio, l'area di servizio, in sottoaree, di dimensioni limitate, denominate celle . Ogni cella è servita da una stazione radio base che trasmette su un certo set di canali radio, diversi da quelli utilizzati nelle celle adiacenti, per evitare interferenze.

Ciascuna cella opera però con potenza ridotta e ciò consente di riutilizzare le frequenze in celle non adiacenti. Generalmente vengono utilizzate forme regolari di celle per coprire un'area di servizio. Teoricamente si possono immaginare di forma esagonale, anche se in realtà la loro forma risulta poi irregolare a causa della non omogenea propagazione del segnale radio, dovuta principalmente alla presenza di ostacoli.

Se durante gli spostamenti l'utente passa da una cella ad un'altra, è necessario che il terminale mobile si sintonizzi su una nuova frequenza , tipicamente quella ricevuta meglio tra le frequenze della nuova cella. Ciò è indispensabile durante una conversazione per evitare la caduta della comunicazione; la procedura con la quale si effettua il cambio di frequenza nel passare da una cella all'altra viene detta handover.

Nei sistemi cellulari, aumentando il numero delle celle che coprono una certa area e perciò riducendo la loro dimensione, aumenta la capacità del sistema cioè il numero di utenti gestiti ma, diminuisce la distanza di riuso delle frequenze (cioè la distanza tra due celle che usano lo stesso canale) ed aumenta perciò l'interferenza tra canali che utilizzano la stessa frequenza (interferenza cocanale) ed aumenta il numero di handover che il sistema deve effettuare durante una conversazione. Perciò la dimensione delle celle non può scendere al di sotto di certi valori e si ripresenta il problema del limitato numero di frequenze disponibili.

 

I sistemi cellulari analogici

I primi sistemi cellulari introdotti (primi anni '80) sono di tipo analogico, utilizzano la modulazione FM e presentano le seguenti limitazioni:

• ad ogni utente che effettua una richiesta di connessione viene assegnata una frequenza, che rimane impegnata per tutta la durata della conversazione non potendo così essere utilizzata da altri terminali, SCPC Single Channel Per Carrier

• la capacità, numero di utenti, è limitata e dal numero delle frequenze disponibili e dal limite imposto alle dimensioni delle celle dalla interferenza cocanale,

• non si possono applicare direttamente algoritmi di crittografia se non utilizzando apparati ad hoc scrambler molto costosi,

• la sicurezza dell'accesso alla rete si basa solo sul riconoscimento di un numero di serie che identifica il terminale mobile, non è impossibile clonare il terminale,

• non sono adatti a trasmissioni dati.

Il primo sistema introdotto, detto AMPS Advanced Mobile Phone Standard, fu sviluppato negli USA e introdotto nel mercato nel 1979 a Chigago. La soluzione nord europea fu il sistema NMT Nordic Mobile Telephone, avviato per la prima volta in Svezia nel 1981 e subito dopo in Norvegia, Danimarca e Finlandia.

Successivamente è stato sviluppato, nel Regno Unito, lo standard TACS Total Access Communications System, una versione modificata del sistema AMPS. La prima rete TACS ha iniziato la sua attività commerciale nel 1985 nel Regno Unito.

Le specifiche iniziali, che assegnavano al sistema 1000 canali centrati nella banda 890-960 MHz, sono state evolute successivamente nello standard ETACS Extended TACS, che assegna 1320 canali nella banda 872-950 MHz.

 

Il sistema GSM

Nei primi anni '80 vi fu una rapida crescita dei sistemi cellulari analogici in Europa. Ogni paese sviluppò però il proprio sistema, incompatibile con ogni altro sia in termini di software che di hardware. Il terminale mobile era limitato ad operare entro i confini nazionali.

La definizione di uno standard paneuropeo avrebbe consentito di operare in regime di concorrenza, per effetto della standardizzazione delle interfacce e delle funzioni che consente ai gestori di utilizzare impianti forniti da diversi costruttori. Si sarebbe potuto: aprire un vasto mercato in grado di permettere significative economie di scala nella produzione di terminali e apparati con conseguente diminuzione dei loro costi, e creare un servizio internazionale privo di confini.

Nel 1982 la Conférence Européenne des Postes et des Télélecommunications CEPT creò, su proposta, un gruppo di studio Groupe Speciál Mobile (GSM) con lo scopo di studiare e sviluppare un sistema radiomobile cellulare paneuropeo comune a tutti i paesi dell'Europa occidentale.

Il sistema proposto doveva rispettare dei precisi criteri:

• assicurare una buona qualità audio della conversazione
• bassi costi per i terminali e per la gestione del servizio
• supporto per il Roaming internazionale
• supporto per terminali palmari
• supporto per un ampio ventaglio di nuovi servizi
• compatibilità con il sistema digitale ISDN
• garantire un eccellente grado di sicurezza e riservatezza nelle comunicazioni.

Tre anni, dal 1982 al 1985 furono dedicati alla scelta tra la tecnica analogica e quella numerica. La decisione finale fu quella di adottare la seconda. Si scelse perciò una tecnologia digitale non ancora testata, in netta antitesi con la tecnologia dei già sperimentati sistemi cellulari analogici come AMPS e TACS.

A favore della tecnologia digitale, la rapida evoluzione tecnologica dei settori dell'elaborazione numerica dei segnali e l'integrazione dei componenti elettronici per effetto della disponibilità dei circuiti integrati VLSI. Un sistema cellulare basato su sistema numerico offre numerosi vantaggi:

• consente di utilizzare una frequenza per servire più utenti, tramite l'utilizzo di tecniche TDM (Time Division Multiplexing),

• ha una capacità maggiore sia per quanto sopra detto, sia perchè i sistemi digitali sono meno sensibili a rumore ed interferenze e quindi consentono di ridurre le dimensioni delle celle, aumentando il numero di utenti che possono essere serviti contemporaneamente,

• consente alto grado di riservatezza, in quanto le informazioni trasmesse sulla tratta radio possono essere cifrate direttamente dall'apparato utente,

• consente elevato grado di sicurezza: l'identità dell'apparato che chiede l'accesso alla rete può essere controllata tramite l'applicazione di un opportuno algoritmo e di una chiave di autenticazione segreta,

• consente di effettuare trasmissioni dati (il segnale vocale stesso viene digitalizzato e poi trasmesso).

Vi era inoltre la prospettiva di garantire la compatibilità fra la rete ISDN e la rete di supporto al sistema radiomobile. Un accordo tra i paesi aderenti portò alla decisione di riservare per questo sistema due bande di frequenza: 890-915 e 935-960 MHz.

Nel 1987 superati i problemi tecnici e politici affrontati per uniformare i diversi punti di vista dei paesi coinvolti e dei numerosi studiosi che portavano avanti progetti e sperimentazioni, si arrivò alla stesura di un accordo Memorandum of Understanding MoU per l'introduzione coordinata del sistema GSM. Fu indicata come apertura del servizio il primo luglio 1991.

Nel 1989, la responsabilità del progetto GSM venne trasferita alla European Telecommunication Standards Institute, specificatamente a un Comitato Tecnico di ETSI. In quella sede venne ridefinito l'acronimo GSM come Global System for Mobile Communications. Il Comitato Tecnico ha elaborato normative, standard e specifiche tecniche descritte in dodici serie di raccomandazioni. La prima parte delle specifiche venne pubblicata nel 1990 (PHASE 1).

Dopo la fase iniziale terminata nel 1991, in cui si è provveduto alla definizione delle specifiche relative ai servizi base essenziali e ad alcuni servizi supplementari, si è passati ad una seconda fase conclusasi nel 1993 (PHASE 2) durante la quale si sono integrati servizi base e supplementari.

Le quasi 6000 pagine delle raccomandazioni ETSI lasciano spazio a flessibilità e innovazioni competitive da parte dei produttori, ma forniscono una sufficiente standardizzazione per garantire l'effettivo internetworking tra le componenti del sistema.

Il servizio venne commercializzato per la prima volta verso la metà del 1991, e nel 1993 esistevano già 36 reti GSM in 22 paesi. Sebbene GSM sia stato standardizzato in Europa, non è uno standard europeo: il sistema GSM (incluso DCS 1800 e PCS1900) è stato progressivamente adottato in oltre 160 paesi sparsi in tutto il mondo.

 

La storia della telefonia mobile in Italia

1985	Viene istituito in Italia, con il D.M. 3 agosto 1985, il servizio radiomobile terrestre pubblico veicolare (450 MHz) che ha fatto seguito ad un precedente sistema radiomobile operante a 160 MHz.
1990	E' stato introdotto in Italia il sistema di comunicazioni mobili di prima generazione E-TACS Extended Total Access Communication System (900 MHz) che ha contribuito all’avvio della telefonia mobile di tipo analogico.
1992	Viene avviato in Italia, dapprima con la fase di sperimentazione seguita poi dalla fase commerciale iniziata nel 1995, l’attuale sistema di comunicazioni mobili di seconda generazione GSM Global System Mobile (900 MHz) che ha contribuito ed ancora contribuisce alla inattesa espansione della telefonia mobile di tipo digitale che ha portato, in pochi anni, l’Italia al primo posto tra i Paesi europei con i suoi 22 milioni di terminali mobili alla fine del 1998 e con una penetrazione vicina al 50%. Con il GSM possono aggiungersi alla telefonia mobile digitale anche servizi dati come il fax e la posta elettronica.
1998	E' stato introdotto in Italia il sistema di comunicazioni mobili GSM 1800 che offre le stesse prestazioni del sistema GSM 900 pur operando su una diversa banda di frequenze.
2002	Verranno avviati in Italia e nella maggior parte degli altri Paesi dell’Unione europea, sistemi di comunicazioni mobili di terza generazione (lo standard europeo è chiamato UMTS Universal Mobile Telecommunications System) in grado di fornire dati a velocità molto superiori a quelle dei sistemi attuali, di fornire servizi, oltre a quelli convenzionali di voce e fax, anche multimediali ad alta risoluzione, quali quelli di ufficio mobile, di banca virtuale, di pagamento automatico, di commercio elettronico, di videoconferenza, di intrattenimento, di accesso ad Internet e di trasmissione di musica di alta fedeltà. I nuovi terminali d’utente della 3ª generazione consentiranno l’accesso a diverse reti del servizio mobile di Terra e via satellite.