Una rete di telecomunicazione cellulare o rete di telecomunicazione mobile (meglio nota con le abbreviazioni rete cellulare e rete mobile) è una rete che permette la telecomunicazione in tutti i punti di un territorio suddiviso in aree di non grandi dimensioni, chiamate "celle" (da cui la definizione) per la telefonia radiomobile cellulare, ognuna servita da una diversa stazione radio base.

Descrizione

Il termine cellulare fa riferimento al fatto che non è tecnicamente pensabile coprire un intero territorio con un vasto bacino d'utenza (ad esempio un'intera regione o nazione) con una singola stazione radio base a causa dell'enorme potenza elettromagnetica necessaria (e dei rischi elettromagnetici connessi) per la trasmissione del segnale da parte dei terminali mobili, delle condizioni non ideali di propagazione del segnale dovuti all'orografia del territorio e della rapida saturazione dello spettro elettromagnetico o banda radio finita e dedicata a tale servizio al crescere degli utenti serviti. È dunque necessario frazionare il territorio da coprire in tante celle o unità elementari di ricetrasmissione ciascuna con una propria stazione radio base di potenza ridotta, ma sufficiente a ricoprire in modo più o meno uniforme l'area racchiusa dalla cella stessa realizzando così una copertura cellulare.

Tale tecnica consente dunque l'abbattimento della potenza necessaria in trasmissione e l'implementazione del cosiddetto riuso di frequenza per ciascuna cella aumentando così notevolmente l'efficienza spettrale totale del sistema ovvero la capacità di sfruttare la banda radio dedicata al radiocollegamento a beneficio del numero totale di utenti servibili, della qualità di servizio offerto e del gestore di rete.

Per aumentare ulteriormente il riuso di frequenza si ricorre usualmente alla tecnica della settorizzazione di cella ovvero all'utilizzo di antenne direzionali che, operando un filtraggio spaziale, coprono ciascuna un certo settore angolare della cella e a cui è assegnata l'intera banda assegnata alla cella. Si realizza così contemporaneamente un accesso multiplo alle risorse di rete in uplink ed una multiplazione in downlink dette a divisione di spazio (SDMA/SDM) combinata con la classica FDMA/FDM dovuta all'allocazione statica di bande di frequenza diverse tra le varie celle.

Altra caratteristica dei sistemi cellulari è la loro flessibilità di esercizio ovvero la capacità di evolversi ed adattarsi nel tempo alle mutabili esigenze di traffico ovvero richieste di servizio da parte di nuovi utenti grazie all'ulteriore frazionamento e introduzione di nuove celle (cell splitting) e stazioni radio base aumentando ancora una volta il riuso di frequenza e quindi l'efficienza spettrale totale del sistema.

In generale le tecniche sopraesposte finalizzate al riuso di frequenza, ovvero settorizzazione di cella e cell splitting, sono comunemente adottate nei centri urbani in funzione della densità abitativa dove, essendo la necessità di traffico da smaltire sensibilmente maggiore, il numero di celle (e quindi il numero di stazioni radio base) ed il numero di settori per cella (e quindi il numero di antenne per BTS) è maggiore e con un'area di copertura inferiore rispetto a quanto accade invece nelle zone rurali scarsamente abitate ovvero con meno utenti da servire.

In alcuni sistemi radiomobili sono possibili le cosiddette "stazioni di rilancio" ovvero stazioni di ricetrasmissione che hanno funzionalità logica e fisica di ripetitori trasparenti verso le stazioni radiobase vere e proprie tramite radiocollegamenti altamente direttivi ed utilizzate come estensione di copertura radio delle stazioni radio-base o per aumentare la banda disponibile all'utente con incremento della velocità di trasmissione offerta specie nel caso di zone densamente abitate o dove il servizio è particolarmente richiesto.

La rappresentazione grafica ideale che si fa di un sistema cellulare è quella di una maglia continua a 'celle esagonali'; l'esatta forma della cella di copertura è in realtà 'circolare' nel caso ideale di assenza di disturbi nella radiopropagazione, più irregolare nel caso reale di presenza di ostacoli e/o disturbi fisici. Nella realtà le celle di copertura spesso sono parzialmente sovrapposte tra loro per evitare buchi di copertura del segnale.

Un fattore limitante di tali tecniche e tali sistemi è la presenza di interferenza tra celle adiacenti cui abitualmente si ovvia con la suddivisione del territorio in gruppi di celle o cluster i quali si spartiscono la banda radio dedicata in modo tale che celle adiacenti non trasmettano con la stessa frequenza portante.

A differenza però dei sistemi radio classici limitati dal rumore, al quale è possibile ovviare con l'aumento della potenza in trasmissione, ovvero agendo sul rapporto segnale/rumore, nonostante gli accorgimenti presi, i sistemi cellulari rimangono comunque dei sistemi limitati dall'interferenza residua tra celle, che dipende tanto dalla mutua relazione tra le frequenze usate dalle varie celle quanto dalla rispettiva potenza utilizzata in trasmissione e per la quale è definibile un rapporto portante/interferenza.

Un sistema cellulare è caratterizzato dunque da una parte dall'interfaccia radio tra terminale mobile e stazione radio ricevente (BTS) che rappresenta la rete di accesso e caratterizzata da un meccanismo/protocollo di accesso multiplo, dall'altra dal nucleo interno di rete (core network) cablato deputato alla commutazione verso altre stazioni radio base ovvero verso terminali in altre celle oppure verso altre reti di telefonia cellulare di altri operatori, verso la rete telefonica fissa, sia pubblica che privata, ed infine la rete Internet, rappresentando dunque la rete di trasporto.

Una chiamata da un terminale ad un altro terminale passa attraverso la ricezione della stazione radiobase della cella di competenza di sorgente per poi essere instradata, attraverso opportuni sistemi, su rete cablata verso la stazione radiobase della cella destinataria che provvede infine a terminarla al terminale di destinazione.

A livello logico, per sopperire a tutte le funzionalità di comunicazione richieste da una rete mobile cellulare, è necessario dunque un sistema che si occupa di gestire la chiamata telefonica con l'interfaccia radio (generalmente detto BSC Base Station Controller), posto generalmente nei pressi della BTS sotto le sembianze di un grande armadio, e di un dispositivo di commutazione che si occupa di instradare eventualmente la chiamata da e verso la Rete telefonica fissa, da e verso le reti mobili cellulari di altri operatori o eventualmente il traffico dati da e verso la Rete Internet (generalmente detto MSC Mobile Switching Center).

Ciascuna cella di copertura mantiene comunque una capacità di servizio (traffico smaltito) finita ovvero è finito il numero di utenti contemporaneamente servibili in virtù della saturazione delle risorse cioè lo spettro radio disponibile con qualsiasi tecnica di multiplazione adottabile. In altri termini la capacità di servizio può andare in blocco e non accettare ulteriori utenti. Il dimensionamento della rete tiene conto di un traffico richiesto (traffico offerto) medio e non di traffico di punta evitando così sprechi di risorse a prezzo però di una certa probabilità di blocco o rifiuto di servizio.

Parametri prestazionali di una rete cellulare sono dunque, oltre all'efficienza spettrale, la probabilità dell'errore Pe, la probabilità di outage Po ovvero di indisponibilità del servizio di rete dovuta all'aleatorietà della radiopropagazione e la probabilità di blocco Pb.

Vantaggi

I vantaggi di sistemi simili sono essenzialmente i vantaggi derivanti dalle tecnologie wireless ovvero la riduzione del cablaggio (assenza nell'accesso) e dei costi associati per il gestore cui si aggiunge il vantaggio della mobilità del servizio offerto agli utenti.

Ambienti di radiopropagazione

Nell'ambito delle reti cellulari si identificano diversi ambienti di radiopropagazione, ciascuno descritto da un opportuno modello di propagazione e relativi parametri di attenuazione del segnale (path loss); tali ambienti sono:

ambiente (modello) urbano: caratterizzato da edifici che spesso interrompono la linea di vista tra stazione radio-base e terminali mobili, tipico dunque delle aree urbane e cittadine; ambiente (modello) semi-urbano: caratterizzato da edifici e agglomerati sparsi su un territorio misto a zone non edificate quali terreni ed aree incolte, tipico delle zone periferiche prospicienti i nuclei urbani; ambiente (modello) rurale: caratterizzato da vaste aree poco o non edificate e/o coperte da vegetazione, tipico dunque delle aree di campagna e montane.

Copertura del segnale

Il livello di copertura e potenza del segnale in trasmissione/ricezione dipende dunque dal modello/ambiente di radiopropagazione del segnale, in particolare dalla posizione reciproca tra terminale mobile e stazione radiobase, più o meno vicina/lontana o mascherata da ostacoli fisici in linea di vista ottica durante la propagazione del segnale (ad es. gli edifici/strutture completamente metalliche risultano totalmente schermanti).

Interallacciamento con sistemi satellitari

Le moderne reti cellulari hanno la possibilità di essere interallacciate con le reti satellitari ad esempio per coprire buchi di copertura delle reti terrestri o mancanze nella rete di trasporto con effetti di complementarità. Sono possibili infatti diversi collegamenti satellitari tra stazione radio base e satellite e da questo verso un'altra stazione radio base come ponte radio in sostituzione della tratta di trasporto cablata a terra.

Funzionalità

Funzionalità della stazione radio-base

Ciascuna stazione radiobase, oltre a instaurare e mantenere una connessione con l'utente per tutta la durata del servizio di comunicazione richiesto espletando tutte le funzionalità di ricetrasmissione, deve inviare costantemente un opportuno segnale all'interno della propria cella di copertura in modo da segnalare la presenza ovvero la disponibilità del servizio offerto dall'operatore ai vari terminali mobili di utenza presenti nella suddetta cella. Il terminale in ricezione misurerà il livello di potenza di tale segnale fornendo all'utente i ben noti livelli di campo presenti.

Funzionalità del terminale mobile

Un terminale mobile o telefono cellulare oltre alle funzioni di ricetrasmissione deve presentare anche le seguenti funzionalità:

potersi sincronizzare e agganciare sia alla frequenza della cella di appartenenza sia (caso GSM) temporalmente con il time-slot o trama dedicata all'utente all'interno della banda della cella durante il radiocollegamento. Tipicamente a livello logico tale procedura è attuata dopo la misurazione dei livelli di potenza del segnale inviato dalle varie stazioni radiobase di celle limitrofe e la scelta di quella a potenza maggiore per massimizzazione del rapporto segnale/rumore ovvero dunque della qualità della trasmissione. Dal punto di vista elettronico-circuitale tale funzionalità di sincronizzazione e aggancio è realizzata con l'ausilio di circuiti PLL. segnalare periodicamente alla stazione radiobase della cella di appartenenza la sua presenza attraverso il codice identificativo (dell'utente, del cellulare, della scheda SIM) per consentire il roaming ovvero essere rintracciato all'interno della stessa rete di un operatore o da parte di reti cellulari di altri operatori. Tali informazioni d'utente finiscono poi memorizzate dinamicamente in un database a disposizione dell'intera rete.