Pianificazione di una rete cellulare

Introduzione 
 
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Una Rete Cellulare offre un servizio radiomobile pubblico di 
conversazione con l’obiettivo di consentire ad un utente mobile di 
connettersi alla rete telefonica pubblica, fruendo di tutti i servizi e 
potenzialità di cui questa dispone. 
Un servizio radiomobile deve, quindi, garantire una copertura 
globale del territorio tramite una distribuzione capillare di antenne 
ricetrasmittenti. 
Ogni compagnia telefonica che fornisce un servizio 
radiomobile mira ad offrire alta qualità minimizzando i costi fissi 
legati alle risorse, quali ad esempio le antenne, ottimizzando, 
pertanto, la loro dislocazione territoriale. 
Questo elaborato ha l’obiettivo di descrivere la problematica di 
natura tecnica definita come la Pianificazione di una Rete 
Cellulare e, per meglio presentare la tematica, è stato sviluppato un 
modello di Programmazione Lineare impiegato in un esempio 
applicativo utilizzando, come ausilio computazionale, il software di 
sviluppo e simulazione LINGO della LINDO Systems. 
 
 
 
 
Introduzione 
 
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L’elaborato è stato suddiviso in due parti: la prima affronta 
una descrizione dello scenario di riferimento con particolare 
attenzione alla storia e alle caratteristiche tecniche della Rete 
Cellulare G.S.M., la seconda consiste nella descrizione del 
problema di copertura del territorio, fulcro della Pianificazione di 
una Rete Cellulare, con la relativa modellizzazione e 
implementazione di un esempio applicativo. 
 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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CAPITOLO 1
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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1.1 RETI CELLULARI – G.S.M. 
Le Reti Cellulari rappresentano, al giorno d’oggi, uno dei 
sistemi di telecomunicazione in più forte espansione. In quasi tutti i 
paesi sono state realizzate reti analogiche o digitali standardizzate 
secondo modelli ben precisi, come nel caso del Sistema Cellulare 
G.S.M. in Europa. 
A differenza di quanto avviene nella rete telefonica fissa, in 
cui il terminale di ogni utente è collegato alla rete attraverso un 
punto di accesso dedicato e univoco, in una rete radiomobile, 
l'abbonato è libero di spostarsi in qualsiasi punto della rete. Pertanto 
i dati relativi all'abbonato devono essere memorizzati in un database 
che sia consultabile e aggiornabile da qualsiasi punto della rete.  
La caratteristica di base di un sistema radiomobile può essere 
riassunta in termini di networking tra le apparecchiature radio, i 
nodi radiomobili, i database e la rete PSTN/ISDN, al fine di 
identificare i terminali mobili, per stabilire, controllare e terminare 
le connessioni ed aggiornare i dati di gestione. 
In tutti i sistemi radiomobili il fattore che ha una primaria 
importanza nel progetto del sistema é lo spettro di frequenza 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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disponibile (larghezza di banda), infatti, il numero di frequenze 
radio assegnato a questi servizi è limitato.  
Per sfruttare al massimo la larghezza di banda disponibile, al 
fine di servire più utenti contemporaneamente in uno stesso settore, 
il sistema è realizzato suddividendo l'area di servizio (Service Area) 
in zone confinanti denominate celle. 
Ogni cella ha una Stazione Radio Base (BTS) che opera su un 
set di canali radio, diversi da quelli utilizzati nelle celle adiacenti, 
per evitare interferenze. Questo tipo di suddivisione permette il 
riutilizzo delle stesse frequenze in celle non adiacenti. L'insieme 
delle celle, che nel loro complesso utilizzano tutto lo spettro radio 
disponibile, prende il nome di cluster.  
Generalmente sono utilizzate forme regolari di celle e quindi 
di cluster per coprire un'area di servizio. Teoricamente le celle si 
possono immaginare di forma esagonale, anche se in realtà la loro 
forma risulta poi irregolare a causa della non omogenea 
propagazione del segnale radio, dovuta principalmente alla presenza 
di ostacoli.  
 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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Riducendo il diametro delle celle la capacità del sistema 
aumenta, anche se un'implicazione di questa scelta é la diminuzione 
della distanza di riuso delle frequenze, ossia della distanza tra due 
celle co-canale, che comporta l'aumento dell'interferenza co-canale. 
Appare evidente che la capacità del sistema, oltre che al 
numero di canali disponibili, è legata a questo tipo di interferenza e, 
a tal proposito, il sistema G.S.M. utilizza delle tecniche, che 
saranno descritte successivamente, tendenti a minimizzarla.  
Lo standard G.S.M. utilizza la tecnologia di accesso a 
divisione di frequenza (FDMA) combinata con quella ad accesso a 
divisione di tempo (TDMA): 8 canali vocali (Full Rate) oppure 16 
(Half Rate) sono multiplexati in un singolo canale radio, insieme 
alle informazioni di controllo dell'errore, necessarie per diminuire 
l'interferenza dovuta al rumore, ed alle informazioni di 
sincronizzazione e segnalazione.  
In un primo momento il servizio G.S.M. era stato concepito 
come lo standard europeo per le comunicazioni cellulari digitali, ed 
è diventato uno standard mondiale. 
Il 1° Gennaio 2000 nel mondo c'erano oltre 300 network 
operativi. Nello stesso periodo il numero di utenti G.S.M. in Europa 
ha superato quota 150 milioni, con una crescita, rispetto all'anno 
precedente, del 76% ed una penetrazione del 19%. 
 
 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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1.2 STORIA DEL G.S.M. 
Durante i primi anni 80, i sistemi telefonici cellulari analogici 
hanno avuto un rapido sviluppo in Europa, così ogni nazione 
sviluppò un proprio sistema, che però era incompatibile con quelli 
degli altri paesi. 
Questa situazione non era gradita, perché non solo i sistemi 
mobili dovevano limitare la loro operatività all'interno dei confini 
nazionali, che in un’Europa unita stavano diventando sempre meno 
importanti, ma creava anche un mercato molto limitato per i vari 
tipi di apparecchiature necessarie all'implementazione ed allo 
sviluppo delle reti, così che non potevano essere realizzate 
economie di larga scala con i conseguenti risparmi sia a favore 
degli utenti sia degli operatori di rete.  
Nel 1982, un gestore pubblico di servizi di telefonia mobile dei 
paesi nordici (Nordic PTT) inviò una proposta al CEPT 
(Conference Européenne de Postal et Tèlécommunications) per 
l'implementazione di un servizio comune di telefonia mobile 
europeo sulla frequenza dei 900 MHz.  
Il CEPT decise allora di formare il Groupe Speciale Mobile 
(da cui deriva il nome GSM) col compito di sviluppare uno 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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standard pan-europeo per le comunicazioni cellulari. Attualmente 
l'acronimo G.S.M. sta per Global System for Mobile 
Communication, dove si è voluto utilizzare il termine globale a 
causa dell'adozione di questo standard in ogni continente del globo.  
Tra il 1982 ed il 1985 è stato affrontato il problema del tipo di 
sistema da costruire: digitale oppure analogico. Ma nel 1985 dopo 
numerose discussioni il gruppo ha deciso di implementare un 
sistema basato su tecnologia digitale. 
Lo step successivo fu quello di scegliere tra la soluzione a 
banda larga (broadband) oppure quella a banda stretta 
(narrawband). Per questa ragione nel 1986 furono effettuate a 
Parigi delle prove di campo, in cui differenti costruttori proposero 
soluzioni differenti (broadband e narrowband). Nel maggio 1987 
fu scelta la soluzione narrowband TDMA (Time Division Multiple 
Access). 
Nello stesso periodo le prime 13 nazioni (nel Regno Unito due 
operatori) firmarono il MoU (Memorandum of Understanding), 
impegnandosi a rispettare le specifiche e promettendo di avere il 
primo sistema basato sullo standard G.S.M. operativo entro il 1° 
luglio 1991. 
Il corpo dello standard era costituito inizialmente da poco più 
di cento raccomandazioni alla cui stesura hanno collaborato PTT, 
centri di ricerca ed aziende manifatturiere di tutta Europa e 
rappresenta uno dei progetti più ambiziosi degli ultimi dieci anni 
dell'European Telecommunications Standard Institute (ETSI), il 
quale ha il mandato CEE per l'unificazione normativa in Europa nel 
Capitolo 1 – Scenario di riferimento 
 
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settore delle telecomunicazioni e che nel 1990 pubblicò la Fase I 
delle specifiche del sistema G.S.M.. I primi servizi commerciali 
furono lanciati a metà del 1991, e nel 1993 erano già operativi 36 
network G.S.M. in 22 paesi.  
Le specifiche sono state estese in seguito per includere un 
interfaccia aerea anche per la banda dei 1800-1900MHz 
(GSM1800-GSM1900). In particolare negli USA è stata concessa 
la banda dei 1900 Mhz ed in Europa e negli altri paesi extra-europei 
quella dei 1800 MHz.  
Nonostante sia stato standardizzato in Europa, il sistema 
G.S.M. non è uno standard solo europeo, infatti reti G.S.M. sono 
operative o pianificate nel 2000 in oltre 150 paesi di tutto il mondo. 
Nella fase iniziale la crescita degli abbonati è stata vertiginosa: 1,3 
milioni all'inizio del 1994, 5 milioni all'inizio del 1995, per 
raggiungere i 10 milioni alla fine del 1995 solo in Europa.