Cos’è e come funziona la rete cellulare, dalla prima generazione al 5G

La rete telefonica cellulare è una tecnologia studiata per comunicare a distanza tramite dispositivi portatili, come i nostri smartphone. Ma come funziona esattamente? E come facciamo a fare chiamate anche quando siamo in movimento? In questo articolo risponderemo a queste e a tante altre domande, andando anche a vedere come è cambiata questa tecnologia, dalla sua origine fino al 5G.

Cos'è la rete cellulare

Una rete di telecomunicazione cellulare è composta da antenne il cui compito è quello di ricevere e trasmettere segnali radio da e verso un dispositivo. In realtà viene chiamata “cellulare” non perché serve per fare funzionare i nostri smartphone, ma perché ogni antenna suddivide lo spazio in aree dette “celle”, contigue e adiacenti. Possiamo immaginare la rete come una sorta di reticolato composto da tante celle al cui interno sono presenti antenne.
Più ci troviamo vicini a un'antenna e più le tacche di rete sui nostri smartphone saranno piene; viceversa quando ci allontaniamo il segnale peggiora e di conseguenza: il telefono “non prende” .

Come funziona le rete cellulare

Ma come è possibile collegare un cellulare ad una antenna e in che modo la nostra voce può arrivare da un punto all’altro anche se siamo in movimento? I principi basilari sui quali si basa il funzionamento della rete mobile sono:

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1. Connessione costante del telefono all'antenna con la qualità di segnale migliore. Questo aspetto vale sia quando siamo fermi che quando siamo in movimento;
2. Capacità di instradare le telefonate effettuate e ricevute in modo da poter collegare punti a qualunque distanza. Per far questo, le varie celle sono collegate tra loro tramite mobile switching centre (MSC) – concettualmente simili a dei centralini;
3. Conoscere in ogni momento la posizione del telefono e rendere noti i suoi spostamenti, così che l’MSC sappia sempre verso quale cella instradare le chiamate.

Collegarsi all’antenna giusta

Quando parliamo allo smartphone, tramite alcuni dispositivi elettronici presenti al suo interno, la nostra voce viene digitalizzata e trasmessa sotto forma di onda elettromagnetica all’antenna. Un principio analogo vale anche per le connessioni dati. Queste onde sono un vettore di trasporto informazioni dal telefono all’antenna. Al contrario, quando  riceviamo chiamate o dati, avviene il processo inverso: l’antenna ci invia informazioni tramite onde elettromagnetiche e il nostro telefono compie il processo inverso convertendole in voce o pacchetti dati.

Per poter funzionare, quindi, è importante che i cellulari siano collegati stabilmente ad un’antenna. Le onde radio, tuttavia, degradano mano a mano che la distanza tra sorgente (antenna) e destinazione (smartphone) aumenta. Ciò a causa di ostacoli (sia naturali che artificiali), curvatura terrestre (che rende impossibile collegare in linea retta due punti), ma anche attenuazione del segnale dovuta all’atmosfera e alle condizioni meteo.

Per questo motivo la rete conta molte antenne installate ovunque sia possibile e che dividono il territorio in tante celle: queste costituiscono le cosiddette stazioni radio base (SRB). Il nostro telefono, quindi si collega ad una di queste SRB scegliendola tra quelle il cui segnale è il migliore tra quelli ricevuti. Questa procedura vale in tutte le condizioni: sia che siamo fermi in un posto, sia che ci trovassimo in movimento. Il passaggio da una cella all’altra, a seconda della bontà del segnale ricevuto, si chiama handover (“passaggio di mano”) e avviane automaticamente senza che noi utenti ce ne accorgiamo.

Conoscere la posizione e instradare le chiamate

Per poter assicurare l’interconnessione tra più punti, le celle sono collegate tra loro: tramite ponti radio o collegate con cavi in fibra ottica sotterranei o sottomarini per collegamenti intercontinentali. In tal modo si crea un vero e proprio reticolo tra le celle, il che consente comunicazioni a livello locale o internazionale. Ma come è possibile che una cella sappia a verso quale destinazione instradare una chiamata? Grazie al mobile switching centre o MSC, una sorta di centrale per la commutazione telefonica, simile per principio ai centralinisti che connettevano i cavi di ogni stazione mittente a quella di destinazione. All’interno degli MSC ci sono dei “registri” per ogni utente. Ogni SIM che si registra sulla rete, ha associate una serie di informazioni quali: il suo numero seriale, il suo piano tariffario o i suoi abbonamenti e, cosa ancor più importante il suo numero di telefono.

Quando ci muoviamo da un punto A ad un punto B, cambieremo di conseguenza MSC: il nostro cellulare trasmettendo quindi la sua posizione costantemente alle celle in cui viene a trovarsi, renderà nota, a tutti gli MSC competenti, la sua ubicazione.

Dalle origini della rete mobile al 5G oggi

Sin dalla sua nascita, la rete mobile si è evoluta grandemente, passando dalle prime tecnologie in modalità analogica (solo comunicazioni vocali) della rete 1G di prima generazione, fino all’attuale 5G. In linea di massima i principi di funzionamento sono rimasti gli stessi, sebbene, mano a mano che la tecnologia si è evoluta, sono state garantite prestazioni superiori. Ad oggi, la tecnologia cellulare è alla 5° generazione (il 5G). Tra le principali caratteristiche di questa nuova tecnologia, ci sarà l’uso di frequenze più elevate che, contestualmente ad una nuova struttura delle antenne, riuscirà a garantire una ampiezza di banda molto elevata, permettendo comunicazioni a banda larga. Inoltre, è prevista anche l’ottimizzazione delle potenze delle antenne, essendo queste progettate come phased array antenna.

In questo modo, pur senza muoversi dalla loro posizione, riusciranno a direzionare il flusso di energia, orientandolo nella direzione dalla quale proviene la richiesta maggiore di banda, ossia verso aree a maggior concentrazioni di utenti o dalle quali provengano richieste di maggiori quantità di dati.