GSM
Indice
Definizione
acronimo dell'inglese Global System for Mobile Communications, sistema radiomobile di telefonia cellulare a tecnologia digitale, il più diffuso attualmente in esercizio. Lo standard originale GSM utilizza, sulla tratta radio terminale, la gamma dei 900 MHz, suddivisa nella sottogamma 890-915 MHz per la trasmissione da telefono cellulare verso la rete e nella sottogamma 935-960 MHz per la ricezione (sistema GSM-900). Un'evoluzione del sistema opera su frequenze più elevate, sulla gamma dei 1800 MHz, utilizzando le sottogamme 1710-1785 MHz e 1805-1880 MHz (sistema GSM-1800). Il sistema GSM a 1800 MHz è più adatto nel caso di celle di dimensioni non superiori ai 10 km, come avviene per le reti operanti in aree urbane. Per tale motivo hanno avuto successo, in zone a elevata densità di utenza, i terminali dual band (operanti sulle due gamme 900 e 1800 MHz).
Sistemi di trasmissione
I sistemi di trasmissione del segnale radio nelle tratte terminali del sistema GSM sono di tipo digitale con velocità di trasmissione pari a 13 kbit/s, oppure 6.5 kbit/s. Il primo sistema è detto full rate (a regime pieno), il secondo half rate (a regime dimezzato). Il segnale vocale di ogni conversazione viene codificato in uno dei due sistemi predetti, operando opportuni sistemi di codifica. Un gruppo di otto utenti, i cui segnali sono affiancati con un sistema a divisione di tempo di tipo TDMA (Time Division Multiple Access, accesso multiplo a divisione di tempo), dà luogo a un segnale multiplato indicato con il nome di canale radiomobile, caratterizzato da un'occupazione di banda pari a 200 kHz. Ogni utente dispone quindi di un ottavo del canale radiomobile in opportuni intervalli temporali a esso assegnati, detti slot. Più canali radiomobili sono a loro volta affiancati con un sistema a divisione di frequenza di tipo FDMA (Frequency Division Multiple Access, accesso multiplo a divisione di frequenza), fino a occupare tutta la sottobanda a disposizione. In tal modo, ogni sottogamma del sistema GSM-900 può allocare 124 canali radiomobili, mentre ogni sottogamma del sistema GSM-1800 ne può allocare 374. In ogni cella, a ogni stazione BTS (Base Transceiver Station), possono essere assegnati uno o più canali radiomobili, per ognuno dei quali il numero contemporaneo di telefonate in full rate non può essere superiore a otto (pari al numero totale degli slot disponibili). Con il sistema in half rate questo numero può essere raddoppiato. Particolare attenzione va posta sull'allocazione e sul dimensionamento delle celle: la configurazione ideale è quella regolare a nido d'ape con celle adiacenti tutte uguali e di forma esagonale. In questo caso l'allocazione ideale delle antenne delle stazioni BTS può essere di due tipi: un'antenna omnidirezionale posta al centro dell'esagono che serve la rispettiva cella; un gruppo di tre antenne posto in uno dei vertici dell'esagono in modo da servire tre celle affiancate (in questo caso le antenne sono direzionali, con un angolo di copertura pari a un fascio largo 120° sul piano orizzontale). Pertanto, le antenne che servono più celle sono allocate in molti casi sullo stesso supporto, posizionato in genere sul tetto di un edificio (in zona urbana), oppure su un palo (in zona extraurbana). In ogni caso è opportuno che l'altezza delle antenne sia non inferiore ai 20 metri dal piano del terreno (quest'ultimo dato dipende moltissimo dall'orografia del luogo). Poiché l'allocazione dei supporti e la predisposizione degli elementi accessori sono molto onerose (senza contare le autorizzazioni necessarie), più antenne, per più servizi e, spesso, per più gestori di telefonia mobile, sono in genere allocate sugli stessi supporti. In ogni caso, il sistema GSM, per ogni cella, necessita di due antenne, una ricevente e l'altra trasmittente. Le antenne del sistema GSM-900 si presentano come segmenti verticali di altezza pari a circa 2 metri. Interferenze radio, assenti fra la tratta trasmittente e quella ricevente (i canali radiomobili nelle due tratte sono infatti allocati in sottobande differenti), sono invece possibili fra tratte dello stesso tipo (o trasmittenti, o riceventi). Per evitare tali interferenze, che possono provocare fenomeni di diafonia fra utenti se non la caduta dei collegamenti per disturbi reciproci sui segnali di servizio, viene predisposto un piano di assegnazione dei canali ai centri BTS di celle contigue. Per prima cosa a ogni BTS non sono assegnati tutti i canali radiomobili della sottogamma, ma solo una piccola parte; quindi si fa in modo che ai BTS di celle contigue non vengano mai assegnati canali operanti sulla stessa frequenza, e nemmeno operanti su frequenze di bande adiacenti ( l'interferenza fra due canali, infatti, è tanto minore quanto più sono lontane le frequenze dei canali considerati). Si viene così a definire un insieme di celle adiacenti tali che nessun BTS di una cella dell'insieme operi su frequenze già adoperate da BTS di altre celle dell'insieme. Insiemi di questo tipo sono detti clusters (raggruppamenti).
La funzione dei "clusters" e delle celle
In genere ciascun cluster è composto da un numero di celle non superiore a sette ed è progettato in modo da utilizzare complessivamente tutte le bande di canale assegnate al gestore della rete. Insiemi di clusters sono poi affiancati fra loro, fino alla copertura completa del territorio da servire. Ovviamente è sempre possibile la presenza di interferenze radio fra canali di celle appartenenti a clusters diversi che dovessero trovarsi a operare sulla stessa banda di frequenza; per ovviare a questo tipo di interferenza (detta interferenza co-canale), occorre fare in modo che canali radiomobili operanti sulla stessa frequenza utilizzino antenne sufficientemente lontane fra loro: la distanza fra le antenne deve cioè essere superiore a un certo valore, detto distanza di riuso. I vincoli imposti dalla distanza di riuso possono essere superati aumentando o le dimensioni delle celle o le dimensioni dei clusters. Occorre anche tenere conto del fatto che il valore della distanza di riuso diminuisce con il diminuire della potenza trasmessa dalle antenne. Va inoltre considerata l'attenuazione propria dei canali radiomobili che risulta minore per il GSM-900 e maggiore per il GSM-1800. Pertanto le celle del sistema GSM-1800 possono essere più piccole (fino a meno di 1 km); per contro tale sistema richiede un maggior numero di celle per coprire la stessa zona di territorio. In generale, le dimensioni delle celle dipendono anche dalla densità di utenza prevista in una certa zona. Per zone extraurbane a bassa densità di utenza, si possono avere celle di dimensioni pari a qualche decina di chilometri. Nel caso di celle di grandi dimensioni, per diminuire le attenuazioni si preferisce utilizzare sistemi di antenne omnidirezionali poste al centro della cella, il cui raggio comunque non deve superare i 35 km: l'uso di raggi superiori, infatti, produrrebbe dei piccoli ritardi sui segnali trasmessi con conseguente perdita di sincronizzazione sui canali digitali di servizio. Ovviamente antenne relative a celle di grandi dimensioni devono erogare potenza elettromagnetica adeguata. Nel caso di densità di utenza maggiore le celle sono più piccole e la potenza irradiata da ciascuna antenna è inferiore. Poiché lo sviluppo del sistema di telefonia radiomobile presenta tassi di incremento molto elevati, accade spesso che il numero di canali disponibili in una certa cella risulti inadeguato, rendendo poco affidabile il sistema (quando tutti i canali a disposizione di un BTS sono occupati, non è più possibile iniziare la procedura di accesso alla rete di un nuovo utente). In questo caso si provvede a riprogettare la zona di interesse suddividendo una certa cella (cell splitting) in più celle di dimensioni minori, senza peraltro modificare la configurazione della rete circostante: la cella da suddividere viene così sezionata in settori e per essi viene predisposto un piano delle frequenze di canale. Il maggior inconveniente che si presenta in questi casi consiste nella necessità di predisporre di nuovi sistemi di antenne; occorre tuttavia tenere conto del fatto che le antenne per le nuove celle (più piccole), per la minore distanza da coprire, erogheranno potenza elettromagnetica inferiore, limitando opportunamente il valore della distanza di riuso.