C0.1 Il Concetto di Cella
Una rete cellulare deve coprire un territorio enorme (un’intera nazione) con un numero limitato di frequenze. La soluzione geniale, inventata ai Bell Labs negli anni ’70, è dividere il territorio in piccole aree chiamate celle, ciascuna servita da una stazione base. Le stesse frequenze vengono riutilizzate in celle sufficientemente distanti da non interferire.
Cella: area geografica coperta da una stazione base (antenna). Rappresentata idealmente come un esagono.
Frequency reuse: le stesse frequenze vengono riutilizzate in celle non adiacenti. Più piccole sono le celle, più volte si riusano le frequenze, più utenti il sistema supporta.
Settorizzazione: una torre con 3 antenne direzionali a 120° crea 3 settori, triplicando la capacità del sito.
7 frequenze diverse → dopo 7 celle il pattern si ripete. Le celle con la stessa frequenza sono abbastanza distanti da non interferire.
In una città densa (centro di Milano), una cella può avere un raggio di 200-500 m (microcella). In campagna, una cella può coprire 10-35 km (macrocella). Celle più piccole significano: più riuso delle frequenze, più utenti serviti, ma più stazioni base da installare e gestire. Il 5G porta questo al limite con le small cell (raggio < 100 m) e le picocelle indoor.
C0.2 Handover: Passaggio tra Celle
Quando ti muovi (in auto, in treno, a piedi), prima o poi esci dalla copertura della cella corrente. Il passaggio da una cella all’altra senza interrompere la chiamata o la connessione si chiama handover (o handoff).
Il telefono si disconnette dalla cella vecchia prima di connettersi alla nuova (“break before make”). Breve interruzione possibile. Usato in GSM e UMTS-FDD.
Il telefono è connesso a due o più celle contemporaneamente durante la transizione (“make before break”). Nessuna interruzione. Possibile grazie al CDMA.
In LTE e 5G NR, l’handover è gestito dalla rete con misure continue del segnale (il telefono riporta l’RSRP delle celle vicine). La rete decide quando e verso quale cella fare handover. Il processo dura ~50 ms in LTE e ~20 ms in 5G — impercettibile anche durante una videochiamata. In 5G con Dual Connectivity, il telefono può essere connesso contemporaneamente a una cella 4G e una 5G.
C0.3 Le 5 Generazioni: Timeline
C0.4 Architettura di una Rete Cellulare
Ogni generazione ha la sua architettura specifica, ma tutte condividono la stessa struttura a 3 parti:
Il dispositivo dell’utente: smartphone, tablet, modem 4G/5G, modulo IoT. Contiene la SIM (o eSIM) per l’autenticazione e le radio per comunicare con la stazione base.
La rete di accesso radio: le antenne e le stazioni base che comunicano via radio con gli UE. Nomi: BTS (2G), NodeB (3G), eNodeB (4G), gNodeB (5G).
Il cuore della rete: gestisce autenticazione, registrazione, routing delle chiamate/dati, QoS, fatturazione. Nomi: NSS (2G), CN (3G), EPC (4G), 5GC (5G).
C0.5 2G — GSM: l’architettura che ha definito il mobile
Il GSM (Global System for Mobile Communications) è nato in Europa nel 1991. È stata la prima rete digitale e il primo standard veramente globale (usato in oltre 200 paesi). Molti dei concetti introdotti dal GSM sono ancora alla base delle reti odierne.
| Componente | Nome | Funzione |
|---|---|---|
| UE | MS (Mobile Station) | Telefono + SIM card |
| RAN (BSS) | BTS (Base Transceiver Station) | Antenna e radio — comunica con il telefono |
| BSC (Base Station Controller) | Gestisce più BTS, handover, allocazione canali | |
| Core (NSS) | MSC (Mobile Switching Center) | Centralino: instrada chiamate, gestisce handover inter-BSC |
| HLR (Home Location Register) | Database master degli utenti: IMSI, servizi, posizione | |
| VLR (Visitor Location Register) | Database temporaneo degli utenti nella zona dell’MSC | |
| AuC (Authentication Center) | Autenticazione dell’utente tramite chiave sulla SIM |
L’innovazione chiave del GSM è la SIM (Subscriber Identity Module): una smart card che contiene l’identità dell’utente (IMSI), la chiave di autenticazione (Ki) e gli algoritmi crittografici. Puoi cambiare telefono e mantenere il tuo numero semplicemente spostando la SIM. Oggi la eSIM (embedded SIM) è programmabile via software: stesso concetto, niente plastica. L’IMEI identifica il dispositivo fisico; l’IMSI identifica l’abbonato.
GPRS (General Packet Radio Service) aggiunge la commutazione a pacchetto al GSM (che era solo a circuito). Per la prima volta puoi navigare su Internet dal telefono (lentamente: 56-114 kbps). EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) migliora la modulazione portando la velocità a 384 kbps — sufficiente per email e WAP, non per YouTube.
C0.6 3G — UMTS: Internet Mobile diventa realtà
Il 3G (UMTS — Universal Mobile Telecommunications System) introduce una nuova tecnologia radio: WCDMA (Wideband CDMA). Tutti gli utenti trasmettono sulla stessa frequenza contemporaneamente, distinguendosi tramite codici univoci (spread spectrum). Il risultato: più capacità e velocità di dati molto superiori al GSM.
| Evoluzione 3G | Velocità DL | Velocità UL | Tecnologia chiave |
|---|---|---|---|
| UMTS (R99) | 384 kbps | 128 kbps | WCDMA, canale 5 MHz |
| HSDPA (3.5G) | 14.4 Mbps | 384 kbps | Modulazione adattiva, HARQ |
| HSUPA (3.5G) | 14.4 Mbps | 5.76 Mbps | Uplink potenziato |
| HSPA+ (3.75G) | 42 Mbps | 11 Mbps | 64-QAM, 2×2 MIMO, dual carrier |
La RAN del 3G ha il NodeB (equivalente della BTS) e il RNC (Radio Network Controller, equivalente del BSC). Il core network aggiunge il SGSN e il GGSN per i dati a pacchetto (navigazione Internet). La separazione tra dominio CS (Circuit Switched, voce) e dominio PS (Packet Switched, dati) è una caratteristica chiave: voce e dati viaggiano su percorsi diversi nel core.
C0.7 4G — LTE: la Rivoluzione All-IP
LTE (Long Term Evolution) è un salto generazionale: abbandona CDMA per OFDMA (downlink) e SC-FDMA (uplink), introduce MIMO e un’architettura completamente a pacchetto (all-IP). Non esiste più la commutazione a circuito: anche la voce viaggia su IP (VoLTE).
LTE elimina il controller intermedio (BSC/RNC): l’eNodeB comunica direttamente con il core network (EPC) via IP. Meno livelli = meno latenza. L’architettura è “piatta”: eNodeB ↔ EPC, senza gerarchie intermedie. Le eNodeB comunicano anche tra loro (interfaccia X2) per handover rapidi.
| Componente EPC | Funzione |
|---|---|
| eNodeB | Stazione base LTE. Gestisce radio, scheduling, handover locale. Connessa al core via S1. |
| MME (Mobility Management Entity) | Piano di controllo: autenticazione, registrazione, paging, handover inter-eNB, selezione SGW. |
| SGW (Serving Gateway) | Piano utente: punto di ancoraggio per i dati, routing pacchetti, tariffazione. |
| PGW (PDN Gateway) | Gateway verso Internet/IMS. Assegna IP, applica QoS, filtraggio, policy. |
| HSS (Home Subscriber Server) | Database utenti (evoluzione di HLR). Profili, chiavi, servizi, posizione. |
| PCRF (Policy & Charging) | Regole di QoS e tariffazione. Decide la priorità dei flussi dati. |
LTE-Advanced: verso il Gigabit
| Tecnologia | Descrizione | Impatto |
|---|---|---|
| Carrier Aggregation | Aggrega fino a 5 portanti da 20 MHz (100 MHz totali) da bande diverse | Velocità fino a 1 Gbps DL |
| 4×4 MIMO | 4 stream spaziali paralleli | Throughput 4× (teorico) |
| 256-QAM | 8 bit per simbolo (vs 6 bit del 64-QAM base) | +33% throughput a breve distanza |
| VoLTE | Voce su IP nativa (no fallback a 3G/2G) | Qualità HD, chiamata + dati simultanei |
Prima di VoLTE, fare una chiamata su 4G richiedeva un “fallback” al 3G o 2G (CSFB — Circuit Switched Fallback): il telefono si disconnetteva dal 4G, si connetteva al 3G, faceva la chiamata, poi tornava al 4G. Lento e inefficiente. Con VoLTE, la voce viaggia come pacchetti IP sulla rete LTE con QoS garantita. Risultato: qualità audio HD (codec AMR-WB), setup chiamata in 1-2 secondi (vs 5-8 con CSFB), e puoi navigare a piena velocità 4G durante la chiamata.
C0.8 5G NR: Introduzione (approfondito nel Modulo C1)
Il 5G NR (New Radio) non è solo “LTE più veloce”: è una piattaforma completamente nuova progettata per tre scenari molto diversi. L’architettura e le tecnologie chiave saranno approfondite nel Modulo C1; qui vediamo il quadro d’insieme.
enhanced Mobile Broadband. Velocità fino a 20 Gbps. Streaming 4K/8K, VR/AR, download istantanei. L’evoluzione “classica” del 4G.
Ultra-Reliable Low-Latency Communication. Latenza < 1 ms, affidabilità 99.999%. Guida autonoma, chirurgia remota, automazione industriale.
massive Machine-Type Communication. 1 milione di dispositivi per km². IoT su scala urbana: sensori, contatori, smart city.
NSA (Non-Standalone): il 5G NR usa il core 4G (EPC) esistente. La stazione base 5G (gNodeB) si appoggia a una eNodeB 4G per il piano di controllo. È il primo passo del deployment, usato dalla maggior parte degli operatori nel 2020-2023. SA (Standalone): il 5G NR usa il proprio core 5GC. Solo con SA si ottengono network slicing, URLLC e le funzionalità avanzate. La migrazione da NSA a SA è in corso nel 2024-2026.
C0.9 Confronto Completo delle Generazioni
| Aspetto | 2G (GSM) | 3G (UMTS) | 4G (LTE) | 5G (NR) |
|---|---|---|---|---|
| Anno | 1991 | 2001 | 2010 | 2020 |
| Tecnologia radio | TDMA/FDMA | WCDMA | OFDMA | OFDMA + mmWave |
| Velocità max DL | 384 kbps (EDGE) | 42 Mbps (HSPA+) | 1 Gbps (LTE-A) | 20 Gbps |
| Latenza | 300-500 ms | 100-200 ms | 10-30 ms | 1-10 ms |
| Stazione base | BTS | NodeB | eNodeB | gNodeB |
| Controller | BSC | RNC | — (piatta) | — (piatta) |
| Core | NSS (CS+PS) | CN (CS+PS) | EPC (all-IP) | 5GC (SBA) |
| Voce | Circuito (CS) | Circuito (CS) | VoLTE (IP) | VoNR (IP) |
| MIMO | No | No (base) | Fino a 8×8 | Massive MIMO (64T64R+) |
| Scenario | Voce + SMS | Internet mobile | Banda larga mobile | eMBB + URLLC + mMTC |
| Bande tipiche | 900/1800 MHz | 2100 MHz | 800/1800/2600 MHz | 700/3500 MHz + mmWave |
C0.10 Bande di Frequenza e Spettro
A differenza del Wi-Fi (bande ISM libere), le reti cellulari usano spettro licenziato: gli operatori pagano miliardi nelle aste per ottenere il diritto esclusivo di usare certe frequenze. Questo garantisce assenza di interferenze da terzi.
| Categoria | Bande | Proprietà | Uso |
|---|---|---|---|
| Low-band (< 1 GHz) | 700, 800, 900 MHz | Ottima copertura, penetra edifici. Banda stretta → velocità limitata. | Copertura rurale, indoor, IoT (NB-IoT) |
| Mid-band (1-6 GHz) | 1800, 2100, 2600, 3500 MHz | Buon compromesso copertura/capacità. 3.5 GHz è la banda core del 5G. | 5G urbano, LTE mainstream |
| High-band / mmWave (> 24 GHz) | 26, 28, 39 GHz | Enorme banda disponibile (GHz). Portata molto corta (< 200 m). Bloccata da ostacoli. | 5G ultra-denso: stadi, centri commerciali, campus |
La banda n78 (3.4-3.8 GHz) è la “sweet spot” del 5G: offre un buon equilibrio tra copertura (raggio 1-3 km) e capacità (100-400 MHz di spettro). In Italia le aste 5G del 2018 hanno assegnato 200 MHz di spettro a 3.7 GHz ai principali operatori. È su questa banda che la maggior parte degli utenti 5G si connette oggi.