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Reti Cellulari 0

Modulo C0 — Evoluzione e Architettura (2G→5G) | Hands on Stem
Modulo C0 di 2

Evoluzione e Architettura

Da 1G analogico al 5G: come funziona una rete cellulare, il concetto di cella, handover, e l’architettura di ogni generazione.

Prof. D. Bertolino Hands on Stem Reti Cellulari

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.

Principi fondamentali

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.

Frequency Reuse — Schema a 7 celle
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7 frequenze diverse → dopo 7 celle il pattern si ripete. Le celle con la stessa frequenza sono abbastanza distanti da non interferire.

Perché celle piccole = più capacità

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).

Hard Handover (2G/3G)

Il telefono si disconnette dalla cella vecchia prima di connettersi alla nuova (“break before make”). Breve interruzione possibile. Usato in GSM e UMTS-FDD.

Soft Handover (3G CDMA)

Il telefono è connesso a due o più celle contemporaneamente durante la transizione (“make before break”). Nessuna interruzione. Possibile grazie al CDMA.

4G/5G: handover seamless

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

1981 — 1G (analogico)
La nascita
Solo voce analogica (AMPS, TACS, NMT). Nessuna crittografia, clonazione facile. Qualità scarsa, telefoni enormi. Interesse storico.
1991 — 2G (GSM)
Il digitale — voce + SMS
Prima generazione digitale. GSM (EU) / CDMA (USA). Voce digitale, SMS, crittografia (A5/1). Dati: 9.6 kbps → GPRS (2.5G, 114 kbps) → EDGE (2.75G, 384 kbps).
2001 — 3G (UMTS / HSPA)
Internet mobile
WCDMA, poi HSPA/HSPA+. Dati fino a 42 Mbps (HSPA+). Primo vero accesso Internet da smartphone. Video chiamate. L’iPhone (2007) esplode sul 3G.
2010 — 4G (LTE / LTE-Advanced)
Banda larga mobile
OFDMA + MIMO. Fino a 1 Gbps (LTE-A Cat 16). Architettura all-IP (voce su VoLTE). Streaming video, cloud, gaming mobile. La generazione che ha cambiato il mondo.
2020 — 5G (NR)
Oltre lo smartphone
3 scenari: eMBB (20 Gbps), URLLC (1 ms latenza), mMTC (1M device/km²). mmWave, beamforming massivo, network slicing. Non solo telefoni: fabbriche, auto, chirurgia, IoT.

C0.4 Architettura di una Rete Cellulare

Ogni generazione ha la sua architettura specifica, ma tutte condividono la stessa struttura a 3 parti:

UE (User Equipment)

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.

RAN (Radio Access Network)

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).

CN (Core Network)

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.

ComponenteNomeFunzione
UEMS (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
La SIM card: il genio del GSM

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 e EDGE: il 2.5G e 2.75G

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 3GVelocità DLVelocità ULTecnologia chiave
UMTS (R99)384 kbps128 kbpsWCDMA, canale 5 MHz
HSDPA (3.5G)14.4 Mbps384 kbpsModulazione adattiva, HARQ
HSUPA (3.5G)14.4 Mbps5.76 MbpsUplink potenziato
HSPA+ (3.75G)42 Mbps11 Mbps64-QAM, 2×2 MIMO, dual carrier
L’architettura UMTS: NodeB e RNC

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).

La grande semplificazione

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 EPCFunzione
eNodeBStazione 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

TecnologiaDescrizioneImpatto
Carrier AggregationAggrega fino a 5 portanti da 20 MHz (100 MHz totali) da bande diverseVelocità fino a 1 Gbps DL
4×4 MIMO4 stream spaziali paralleliThroughput 4× (teorico)
256-QAM8 bit per simbolo (vs 6 bit del 64-QAM base)+33% throughput a breve distanza
VoLTEVoce su IP nativa (no fallback a 3G/2G)Qualità HD, chiamata + dati simultanei
VoLTE: perché è importante

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.

eMBB

enhanced Mobile Broadband. Velocità fino a 20 Gbps. Streaming 4K/8K, VR/AR, download istantanei. L’evoluzione “classica” del 4G.

URLLC

Ultra-Reliable Low-Latency Communication. Latenza < 1 ms, affidabilità 99.999%. Guida autonoma, chirurgia remota, automazione industriale.

mMTC

massive Machine-Type Communication. 1 milione di dispositivi per km². IoT su scala urbana: sensori, contatori, smart city.

Deployment: NSA vs SA

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

Aspetto2G (GSM)3G (UMTS)4G (LTE)5G (NR)
Anno1991200120102020
Tecnologia radioTDMA/FDMAWCDMAOFDMAOFDMA + mmWave
Velocità max DL384 kbps (EDGE)42 Mbps (HSPA+)1 Gbps (LTE-A)20 Gbps
Latenza300-500 ms100-200 ms10-30 ms1-10 ms
Stazione baseBTSNodeBeNodeBgNodeB
ControllerBSCRNC— (piatta)— (piatta)
CoreNSS (CS+PS)CN (CS+PS)EPC (all-IP)5GC (SBA)
VoceCircuito (CS)Circuito (CS)VoLTE (IP)VoNR (IP)
MIMONoNo (base)Fino a 8×8Massive MIMO (64T64R+)
ScenarioVoce + SMSInternet mobileBanda larga mobileeMBB + URLLC + mMTC
Bande tipiche900/1800 MHz2100 MHz800/1800/2600 MHz700/3500 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.

CategoriaBandeProprietàUso
Low-band (< 1 GHz)700, 800, 900 MHzOttima copertura, penetra edifici. Banda stretta → velocità limitata.Copertura rurale, indoor, IoT (NB-IoT)
Mid-band (1-6 GHz)1800, 2100, 2600, 3500 MHzBuon compromesso copertura/capacità. 3.5 GHz è la banda core del 5G.5G urbano, LTE mainstream
High-band / mmWave (> 24 GHz)26, 28, 39 GHzEnorme banda disponibile (GHz). Portata molto corta (< 200 m). Bloccata da ostacoli.5G ultra-denso: stadi, centri commerciali, campus
La banda 3.5 GHz: il cuore del 5G

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.

C0.11 Riepilogo del Modulo

Celle
Territorio diviso in celle esagonali. Frequency reuse. Più piccole = più capacità. Settorizzazione 3×120°.
Generazioni
1G analogico → 2G GSM (voce digitale) → 3G UMTS (Internet) → 4G LTE (all-IP) → 5G NR (3 scenari).
Architettura
UE + RAN (BTS→eNodeB→gNodeB) + Core (NSS→EPC→5GC). Da gerarchica a piatta.
Bande
Low (<1 GHz): copertura. Mid (1-6): compromesso. mmWave (>24): velocità estrema, corta portata.

🧪 Verifica di Autovalutazione

01 Cos’è una “cella” nel contesto delle reti cellulari?
02 Cos’è il frequency reuse e perché è fondamentale?
03 Qual è la differenza tra hard handover e soft handover?
04 Quale generazione ha introdotto la voce digitale e la SIM card?
05 Cos’è la differenza architetturale principale tra 3G e 4G?
06 Cosa significa “all-IP” nel contesto LTE?
07 Cos’è VoLTE e quale problema risolve?
08 Quali sono i 3 scenari del 5G? Fai un esempio per ciascuno.
09 Cos’è la differenza tra deployment NSA e SA del 5G?
10 Perché la banda 3.5 GHz è considerata il “cuore” del 5G?

Soluzioni

Domanda 01 — Cos’è una cella
Una cella è l’area geografica coperta dal segnale radio di una singola stazione base (antenna). Ha forma ideale esagonale (nella realtà irregolare). Il territorio viene diviso in molte celle per permettere il riuso delle frequenze e servire più utenti. Il raggio varia da ~100 m (picocella urbana 5G) a ~35 km (macrocella rurale).
Domanda 02 — Frequency reuse
Il frequency reuse è il principio per cui le stesse frequenze vengono riutilizzate in celle non adiacenti. Con uno schema a 7 celle, il pattern si ripete ogni 7 celle: le celle con la stessa frequenza sono abbastanza distanti da non interferire. Questo permette di servire un numero virtualmente illimitato di utenti con un numero finito di frequenze. Celle più piccole = più riuso = più capacità.
Domanda 03 — Hard vs soft handover
Hard handover (2G GSM): il telefono si disconnette dalla cella vecchia prima di connettersi alla nuova (“break before make”). Possibile breve interruzione. Soft handover (3G CDMA): il telefono è connesso a due o più celle contemporaneamente durante la transizione (“make before break”). Nessuna interruzione, ma possibile solo con CDMA dove tutti usano la stessa frequenza. In 4G/5G l’handover è gestito dalla rete ed è molto veloce (~20-50 ms).
Domanda 04 — Voce digitale e SIM
Il 2G (GSM), lanciato nel 1991. Il GSM ha introdotto la voce digitale (vs analogica dell’1G), la crittografia A5/1, gli SMS, e la SIM card — una smart card rimovibile che contiene l’identità dell’utente (IMSI) e le chiavi crittografiche, permettendo di cambiare telefono senza perdere il numero.
Domanda 05 — 3G vs 4G architettura
Il 3G ha un’architettura gerarchica con un controller intermedio: NodeB → RNC → Core. Il 4G (LTE) ha un’architettura piatta: l’eNodeB comunica direttamente con il core (EPC) senza controller intermedio. Inoltre, il 3G separa voce (CS) e dati (PS), mentre il 4G è completamente all-IP (sia voce che dati viaggiano su IP).
Domanda 06 — All-IP
All-IP significa che tutto il traffico — voce, dati, segnalazione — viaggia su protocollo IP. Non esiste più la commutazione a circuito (dedicata alla voce) come nel 2G/3G. La voce diventa un’applicazione IP come qualsiasi altra (VoLTE). Vantaggi: infrastruttura unica (meno costosa), latenza ridotta, integrazione con servizi Internet, qualità audio HD.
Domanda 07 — VoLTE
VoLTE (Voice over LTE) è la tecnologia per le chiamate vocali su rete 4G usando IP. Senza VoLTE, il telefono deve fare “fallback” al 3G/2G per le chiamate (CSFB), disconnettendosi temporaneamente dal 4G. VoLTE elimina questo fallback: la chiamata resta su LTE con qualità audio HD (codec AMR-WB), setup rapido (1-2 sec vs 5-8) e possibilità di navigare a piena velocità durante la chiamata.
Domanda 08 — 3 scenari 5G
eMBB (enhanced Mobile Broadband): velocità fino a 20 Gbps. Esempio: streaming 4K/8K su mobile, realtà virtuale, download di un film in 3 secondi. URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency): latenza < 1 ms con affidabilità 99.999%. Esempio: chirurgia da remoto, guida autonoma, controllo robotico in fabbrica. mMTC (massive Machine-Type Communication): 1 milione di dispositivi per km². Esempio: smart city con milioni di sensori (parcheggi, illuminazione, rifiuti, qualità aria).
Domanda 09 — NSA vs SA
NSA (Non-Standalone): il 5G NR si appoggia al core 4G esistente (EPC). Il gNodeB lavora insieme a un eNodeB LTE per il piano di controllo. Offre velocità 5G ma non le funzionalità avanzate (network slicing, URLLC). SA (Standalone): il 5G NR usa il proprio core nativo (5GC). Completamente indipendente dal 4G. Abilita tutte le funzionalità: network slicing, URLLC, edge computing (MEC). NSA è il primo passo, SA è l’obiettivo finale.
Domanda 10 — Banda 3.5 GHz
La banda 3.5 GHz (n78, 3.4-3.8 GHz) offre il miglior compromesso tra copertura e capacità per il 5G. Ha abbastanza larghezza di banda (100-400 MHz) per velocità elevate, e una propagazione ancora accettabile (raggio 1-3 km urbano). Le bande low (<1 GHz) hanno ottima copertura ma poca banda. Le mmWave hanno enorme banda ma copertura di ~200 m. La 3.5 GHz è il "cuore" su cui si costruisce la rete 5G di massa. In Italia le aste del 2018 hanno assegnato 200 MHz in questa banda.
Hands on Stem — Corso di Reti Cellulari — Prof. D. Bertolino