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Introduzione ai sistemi radiomobili
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 co-canale) 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 presentavano 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 co-canale,
- 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 Vengono 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.
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