5G: Come crescono le reti cellulari

In un sistema cellulare, al centro di ciascuna cella¹ si trova una BS (Base Station). La Base Station include un’antenna, un sistema di controllo e una serie di ricetrasmettitori per comunicare sui canali assegnati a questa cella.

Se il sistema viene utilizzato da un numero di utenti eccessivo, le frequenze assegnate ad una cella possono diventare insufficienti per gestire tutte le chiamate. Per rispondere a questa criticità vengono adottati diversi approcci di cui elenchiamo i principali.

• Aggiunta di nuove celle: in genere, quando si configura un sistema sul territorio, non vengono utilizzati tutti i canali e pertanto è possibile prevedere crescite ed espansioni in modo ordinato, semplicemente aggiungendo nuovi canali.
• Sottrazione di frequenze: nel caso più semplice, le frequenze vengono sottratte dalle celle congestionate per essere assegnate alle celle adiacenti. Le frequenze possono anche essere assegnate alle celle in modo dinamico.
• Suddivisione delle celle: la distribuzione del traffico e le caratteristiche morfologiche del territorio non sono uniformi e questo presenta opportunità per aumentare la capacità. Le celle nelle aree di elevato utilizzo possono essere suddivise in celle più piccole. In generale, le celle hanno un raggio che varia da qualche chilometro ai 10 chilometri. È possibile dividere ulteriormente anche le celle più piccole; tuttavia, nell’utilizzo pratico, vi è da considerare un raggio minimo delle celle di 1,5 chilometri a meno del ricorso a microcelle. Per utilizzare una cella più piccola, il livello di potenza utilizzato deve essere ridotto in modo da mantenere il segnale solo all’interno della cella. Pertanto, mentre il terminale mobile si muove, passerà da una cella all’altra e ciò richiederà il trasferimento della chiamata da un ricetrasmettitore base a un altro (processo di handoff²). A mano a mano che si riducono le dimensioni delle celle, l’operazione di handoff diviene sempre più frequente. 
• Settori di celle: Una cella viene suddivisa in un certo numero di settori, ognuno con un proprio insieme di canali, prevedendo in genere da tre a sei settori per cella. A ciascun settore viene assegnato un sottoinsieme distinto dei canali della cella e, per coprire con precisione ciascun settore, vengono utilizzate delle antenne direzionali.
• Microcelle: come visibile in Figura 1, a mano a mano che si riducono le dimensioni delle celle, le antenne devono spostarsi dalla cima di alte costruzioni o delle colline alla cima di piccoli edifici o alla facciata di edifici e infine sui pali dell’illuminazione, fino a creare delle microcelle. Ogni riduzione delle dimensioni di una cella è accompagnata dalla riduzione del livello di potenza irradiata dalla stazione base e dalle unità mobili. Le microcelle sono utilissime nelle aree congestionate delle città, lungo le strade di scorrimento veloce e all’interno dei grandi edifici pubblici. Utilizzando celle di piccole dimensioni si riduce la potenza emessa e si offrono migliori condizioni di propagazione.

Figura 1 – Suddivisione del territorio in celle di diverse dimensioni.

Per tener conto della diversa distribuzione del traffico richiesto in una determinata area, si suddivide quindi il territorio in celle di dimensioni differenti. In questo modo, in aree ad alta densità di utenza si potrà diminuire la distanza di riutilizzo dei canali aumentando così il numero di utenti che possono essere serviti.

È evidente come tecnologie quali il 5G che, secondo le linee guida ITU³ , avranno una velocità di picco di 20 Gb/s per il downlink e 10 Gb/s per l’uplink, necessiteranno del ricorso a queste tecniche di ottimizzazione in un percorso che porterà dalla copertura territoriale operata con macrocelle all’adozione di femtocelle.

¹ Il concetto di copertura radioelettrica cellulare si basa sulla distribuzione di diverse Stazioni Base (BS) a bassa potenza che coprono delle piccole aree denominate celle (da cui il nome cellulare). A ciascuna cella è assegnato un gruppo di canali radio che viene riutilizzato per far fronte all’elevato numero di utenti e al limitato spettro di frequenza a disposizione per le reti radiomobili.

² Con handoff si intende la procedura che consiste nel passaggio di un’unità mobile da una stazione base a un’altra a causa del suo passaggio da una cella a un’altra.

³ L’Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU, International Telecommunication Union) è l’organizzazione internazionale che si occupa di definire gli standard nelle telecomunicazioni e nell’uso delle onde radio.