Storia dei telefoni sistemi cellulari

Storia dei sistemi cellulari

DALL’ETACS ALL’UMTS

L’industria delle telecomunicazioni mobili si è evoluta in tre differenti fasi, ed ogni generazione successiva è stata migliorata e resa più flessibile.
La prima generazione di telefoni radiomobili è stata quella analogica, si potevano fare soltanto chiamate voce ed in un solo paese, infatti ogni paese aveva uno standard diverso. La seconda generazione ha visto il sorgere di una tecnologia digitale grazie alla quale si possono mandare fax, avere uno scambio di dati a bassa velocità  (9.6kbit/s) ed un sistema di messaggistica denominato SMS (Send Message System) con l’unica limitazione di 160 caratteri, ed il tutto può avvenire tra diversi paesi che adottano lo stesso standard. Con le prime due generazioni di telefoni radiomobili il problema più grosso è stato quello della standardizzazione: ognuno seguiva la propria strada. Il Nord America ha seguito lo standard AMPS per la prima generazione analogica ed un mix di TDMA CDMA e GSM per la generazione digitale. In Europa per la prima generazione si sono seguiti due standard: l’NMT ed il TACS, quest’ultimo è stato quello usato in Italia. Per la seconda generazione si è seguita la via del sistema GSM con un grande successo.

La situazione attuale sta evolvendo verso nuovi scenari: da una parte si assiste alla nascita di nuove tecnologie capaci di potenziare l’esistente rete GSM vedi WAP GPRS EDGE, dall’altra i grandi della telefonia mondiale hanno deciso di varare uno standard universale che permetta il nascere di uno strumento multimediale capace di comunicare con qualsiasi angolo del pianeta senza che nessuno standard differente ne intralci la comunicazione. Questo nuovo standard universale è l’UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) la cosiddetta terza generazione di telefoni mobili.

Volendo analizzare quali siano state le principali motivazioni che hanno portato alla formulazione del nuovo standard si può di sicuro dire che: la vera spinta verso il nuovo standard è stata l’implementabilità  di servizi mobili ad elevata velocità  di trasmissione. Anche se è opportuno precisare che la velocità  massima risentirà  sensibilmente della posizione geografica e della velocità .
Nel 1992 nell’ambito dell’UIT ( International Telecomunications Union ) durante la WARC ( World Administrative Radio Conference ) è stato introdotto l’UMTS. In realtà  lo sviluppo ed il concepimento dell’UMTS avviene presso la IMT-2000 che è una struttura dell’UIT che si occupa di sistemi di telecomunicazioni mobili ad alta capacità  ed ad alta velocità  di trasferimento dati. All’IMT-2000 collabora, a livello mondiale, tutto un gruppo di organismi di standardizzazione che collaborano insieme all 3GPP ( 3 Generation Partnership Project ) che sono:

– ARIB (Association Radio Industries and Business, Giappone)
– ETSI (European Telecomunications Satandards Institute, Europa)
– Committee T1 (Standards Committee T1 Telecomunications, USA)
– TTA (Telecomunications Technology Association, Corea del Sud)
– TTC (Telecomunications Technology Committee, Giappone)

In Europa, in ambito 3GPP, le specifiche tecniche sono di competenza dell’ETSI; invece gli aspetti regolamentari sono controllati dal CEPT (European Conference of Postal and Telecomunications Administrations).
La svolta avviene nel 1996 quando a Zurigo nasce l’UMTS Forum (www.umts-forum.org) a cui partecipano oltre che tutti gli organismi di standardizzazione prima citati anche i più grossi costruttori e gli operatori di telefonia mobile. Sono state create inoltre delle associazioni con il compito di promuovere l’interoperabilità  tra sistema GSM e nuovi servizi UMTS, una di queste è la GSM MoU, che si occupa anche di esaminare i problemi connessi con la transizione tra seconda e terza generazione di telefonia mobile.

Grazie al trasferimento dati ad alta velocità  che arriverà  fino a 2Mbit/s, il nuovo telefonino ci permetterà  di fare video telefonate, video conferenze, ascoltare musica con alta qualità , avremo la possibilità  di fare m-commerce (mobile commerce, cioè un commercio elettronico mobile) e di collegarci alla reti delle reti: Internet.
Per vedere il nascere della prima rete UMTS in Europa si dovrà  aspettare il 2002, le frequenze di trasmissione utilizzate saranno comprese fra 1,9Ghz ed i 2,2Ghz mentre l’attuale standard GSM e composto da due reti, una che trasmette a 900Mhz e l’altra a 1,8Ghz.

Al momento del lancio, le stime parlano di circa 2 milioni di utenti che dovrebbero diventare circa 12 milioni nel 2010; ad oggi gli utenti possessori di un telefono GSM in Italia sono 36 milioni circa. La qualità  migliore del nuovo standard è quella di essere concepito come sistema aperto, totalmente compatibile con nuove tecnologie che sicuramente in futuro nasceranno, e che ad esempio permetteranno di abbattere il muro dei 2Mbit/s.

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LA TECNOLOGIA

L’allocazione di spettro complessiva per lo standard UMTS sarà  di 155Mhz come previsto dall’IMT-2000 e ratificato dal Comitato Europeo delle Radiocomunicazioni (ERC).
L’UMTS segue lo standard UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) che racchiude al suo interno due tecnologie:

W-CDMA (Wideband – Code Division Multiple Access) per bande a spettro accoppiato di tipo simmetrico (paired) con modalità  FDD (Frequency Diviosion Duplex), adatta alla trasmissione e ricezione di dati alla medesima velocità  e su frequenze differenti. La banda complessiva per FDD è di 120Mhz (1920-1980 Mhz e 2110-2170 Mhz).

TD-CDMA (Time Division – Code Division Multiple Access) per bande non accoppiate di tipo asimmetrico (unpaired) con modalità  TDD (Time Division Duplex), con velocità  di ricezione (downstream) superiori a quella di trasmissione (upstream). La banda complessiva per TDD è di 35Mhz (1900-1920 Mhz e 2010-2025 Mhz)

Bisogna dire che questa seconda soluzione non è ancora pienamente standardizzata e la si vedrà  realizzata con il passare degli anni. Per quel che riguarda la prima soluzione invece, gli utenti utilizzano contemporaneamente l’intera banda di frequenza, questo è dovuto alla particolare tecnologia a divisione di codice che personalizza il segnale da trasmettere.
L’unione di queste due tecnologie conferisce allo standard UMTS una versatilità  migliore. Da un lato l’utilizzo di tecnologie diverse consente una maggiore copertura della base di utenti, dall’altro questa maggiore flessibilità  dello standard consente l’interazione con infrastrutture di standard precedenti come GSM e DECT in Europa, AMPS in America. La copertura attraverso lo standard UTRA non sarà  totale, ed è qui che interverrà  la componente satellitare dell’UMTS che sarà  in grado di fornire una copertura globale per una vasta gamma di terminali utente. Questi sistemi satellitari sono pianificati in modo da essere implementati utilizzando le allocazioni di frequenza della S-band del MSS (Mobile Satellite Service) identificate per il satellite IMT-2000 e per fornire servizi compatibili con i sistemi UMTS terrestri. La porzione di spettro assegnata alle trasmissioni satellitari è compresa tra le frequenze 1980-2010Mhz e 2170-2200Mhz.

Da un punto di vista strutturale, le nuove celle saranno molto più piccole di quelle dell’attuale GSM, il che implicherà  un numero maggiore di ponti radio, di BTS ecc. Questo inciderà  in maniera notevole sui costi iniziali. Ulteriori problemi di pianificazione saranno dati dall’effetto di “Cell Breathing”, il cosiddetto respiro della cella a causa del quale il raggio di copertura della suddetta diminuisce all’aumentare del traffico in essa generato. Il servizio sarà  condizionato da un’esasperante ricerca di qualità  ed affidabilità  molto maggiore rispetto ai sistemi di seconda generazione. I sacrifici iniziali saranno ricompensati da grosse soddisfazioni (nel senso di ritorno economico), ma occorrerà  avere pazienza. Un ulteriore lato positivo della situazione è costituito dal fatto che il sistema 3G avrà  dei costi, per le infrastrutture, naturalmente inferiori rispetto a quelli che deve sostenere un operatore di rete fissa. Questo gli permette di porsi in una forte posizione competitiva rispetto a questi ultimi, essendo in grado di proporre gli stessi servizi alla stessa qualità . La sola possibilità  di porsi come alternativa all’operatore di rete fissa compenserà  di tutti gli investimenti iniziali.

A differenza del GSM che adotta la commutazione di circuito lo standard UMTS seguirà , per lo scambio di dati, la commutazione di pacchetto. Un evoluzione simile per aumentare la velocità  di trasmissione di dati per la rete GSM la si sta vedendo con il GPRS introducendo la commutazione di pacchetto. Questo per confermare la futura compatibilità  tra i diversi standard e l’UMTS. L’informazione verrà  smembrata in tanti pacchetti, ognuno dei quali al suo interno contiene sia l’indirizzo del mittente che quello del destinatario; ciascun pacchetto verrà  spedito e seguirà  una propria strada indipendentemente dagli altri, sarà  compito del ricevitore ricompattarli e rimetterli nel giusto ordine. Sarà  esattamente l’utilizzo di questo nuovo modo di scambiare i dati che farà  di conseguenza cambiare la tariffazione ed il modo di pagare la telefonata o l’eventuale richiesta di servizio che verrà  inoltrata. A differenza della commutazione di circuito il canale non sarà  sempre occupato. Nella commutazione di pacchetto il canale lo si occupa solo quando si trasmette il pacchetto stesso. Il modo di pagare sarà  quindi non a tempo ma a banda occupata. Diversi saranno i prezzi se voglio fare una semplice telefonata vocale o una video-telefonata: 4khz di banda nel primo caso, almeno 10 volte tanto (a seconda della qualità  che l’applicazione utilizzata permetterà ) nel secondo. I prezzi delle telefonate vocali andranno man mano diminuendo anche perché con la mole di servizi a disposizione ed a causa dell’esigua banda occupata sarà  sicuramente l’ultima cosa che si vorrà  fare. Si avrà  quindi una distinzione in categorie di traffico raggruppabili in quattro differenti formati:

– Conversational, per la semplice chiamata vocale
– Streaming, per la trasmissione di video con flusso di dati unidirezionale
– Interactive, quando ad esempio si sfoglieranno delle pagine web
– Background, quando si vorranno downlodare files o e-mail.

Altri esempi di reti a commutazione di pacchetto sono Internet ed X.25, ed è esattamente da qui che nasce l’interazione tra l’UMTS e la madre di tutte le reti, Internet. Ciò consentirà  la concentrazione in un unico terminale di una vastissima gamma di servizi tra cui, oltre alla comunicazione vocale, videotelefonia e videoconferenza sia fissa che mobile, accesso ad Internet e quant’altro. Le implementazioni della rete UMTS saranno possibili attraverso varie possibilità  tra cui, ad esempio, quella del downloading di software dalla rete stessa migliorandone le prestazioni. Tecnica simile a quello che si fa tutt’oggi in rete quando si scarica un plug-in o si effettua il download di un programma.

La possibilità  di accesso personalizzato alla rete UMTS sarà  resa possibile dall’uso di “smart card” con elevata capacità  di memoria, oltre ad elevate garanzie di sicurezza rese possibili da efficienti protocolli di comunicazione. Entro il 2002, l’industria delle smart card sarà  in grado di offrire carte con maggiore capacità  di memoria, CPU sempre più potenti, funzionamento senza contatto ed una maggiore capacità  di codificazione. Questi progressi consentiranno al Subscriber Identity Module dell’UMTS (USIM) di essere aggiunto al pacchetto servizi UMTS offrendo all’utente memoria e trasmissione dati portabili ad alta sicurezza. Oltre a scaricare software di configurazione per il terminale UMTS sarà  anche possibile downlodare immagini, file, firme digitali, impronte digitali o dati biometrici. Per quanto riguarda la velocità  di trasferimento dei dati bisogna fare delle precisazioni, certo si parla di 2Mbit/s, ma la reale velocità  dipenderà  da dove ci si trova (problemi inerenti alla copertura cellulare) e se ci si muove o no (problemi inerenti all’effetto Doppler).
Se ci troviamo in un ambiente suburbano con copertura macro/microcellulare e ci muoviamo a velocità  inferiori ai 120Km/h sarà  possibile trasmettere dati ad una velocità  massima di 384Kbit/s. Questa velocità  di trasferimento dati scende fino a 144Kbit/s man mano che la distanza dalla cella e la velocità  di movimento aumentano. La velocità  limite di 2.048Mbit/s può essere disponibile negli ambienti micro/picocellulari per applicazioni a breve raggio. Una considerazione molto importante da fare è che lo standard UMTS è stato concepito come sistema aperto, in quanto tale, dovrà  essere compatibili sia con gli standard già  esistenti che con le future evoluzioni. Una volta usciti dall’area di copertura UMTS dovrà  essere possibile continuare ad utilizzare i vari servizi, andando in roaming sulla rete GSM ed utilizzando la tecnologia GPRS o le sue evoluzioni EGPRS ed EDGE , con velocità  superiori ai 100Kbit/s.

Sono proprio questi i problemi più grandi che si stanno riscontrando in fase di standardizzazione. Un esempio per tutti e quello nella diversità  dell’uso di frequenze tra UMTS e GSM. Il GSM utilizza la soluzione “cell splitting” dove ogni cella viene divisa e lavora su frequenze diverse, mentre, come prima accennavamo, l’UMTS utilizza per ogni cella la stessa frequenza. Tale diversità  di comportamento è solo uno degli aspetti che complica la coesistenza della rete GSM con quella UMTS. Ma siamo ottimisti sul fatto che in futuro punti d’incontro possano risolvere questi sgradevoli aspetti, anche se la via della standardizzazione totale è lunga e faticosa.

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