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Come funziona il cellulare

I telefoni cellulari hanno assunto un ruolo fondamentale nelle telecomunicazioni e rappresentano ormai dei dispositivi di prima necessità nella vita di tutti I giorni.

Ma come fa un apparecchio così piccolo a permetterci di comunicare con altre persone distanti, in qualunque posto ci troviamo?

In questo video spiegheremo come un telefono cellulare è in grado di effettuare una chiamata e perchè esistono diverse generazioni di reti mobili.

I moderni telefoni cellulari sono in grado di effettuare le chiamate grazie al supporto degli MSC, ovvero i Mobile Switching Center, che come vedremo contengono le informazioni principali delle nostre sim e provvedono ad inviare le chiamate ai giusti destinatari.

JAES è costantemente impegnata nella fornitura di moltissimi componenti necessari al corretto funzionamento degli MSC, come:

Proviamo a vedere da vicino quali sono i componenti principali di un telefono cellulare, che contribuiscono al trasferimento della chiamata.

Quando iniziamo una conversazione telefonica, la nostra voce viene registrata da un microfono.
Il microfono non è nient’altro che un rilevatore e convertitore di pressione sonora in segnale elettrico.

Una volta trasformata l’onda della nostra voce in segnale elettrico, questo segnale viene “campionato” da un sensore piccolissimo all’interno del telefono, chiamato sensore MEMS.

Questo sensore in pratica legge l’onda elettrica della nostra voce per tantissime volte al secondo e la digitalizza.

Si passa così dal mondo analogico al mondo digitale poiché l’onda viene “spezzata” in tanti punti, rappresentati da tanti zeri e tanti uno.

In questo modo la nostra voce dopo essere stata trasformata in segnale digitale, può essere facilmente memorizzata ed eventualmente inviata, tramite l’antenna.

L’antenna invia il segnale digitale della nostra voce sottoforma di onda elettromagnetica. Quest’onda è in grado di trasmette gli zero e gli uno del segnale, modificando adeguatamente i propri valori di AMPIEZZA, FREQUENZA e PERIODO o cambiandone la loro combinazione.

Prendendo come esempio la FREQUENZA, gli zero vengono trasmessi sottoforma di onda a bassa frequenza, mentre gli uno vengono trasmessi sottoforma di onda ad alta frequenza.

L’onda elettromagnetica contenente le informazioni della nostra voce, deve essere in grado di raggiungere il ricevitore del telefono della persona con la quale vogliamo parlare.

Purtroppo le onde elettromagnetiche non sono in grado di percorrere lunghe distanze e perdono la loro potenza ogni qual volta la loro traiettoria è deviatata da edfici voluminosi o da dispositivi elettronici, oppure in presenza di avverse condizioni metereologiche.

Ma anche nel caso in cui non fosse presente alcun impedimento lungo la traiettoria dell’onda, quest’ultima non potrebbe proseguire all’infinito, a causa della curvature terrestre.

Per questo motivo vengono installate delle particolari antenne, le cosiddette STAZIONI RADIO BASE, dette anche BTS, che usano la tecnologia cellulare per trasmettere l’onda elettromagnetica al giusto destinatario.

Le BTS sono distribuite sul territorio in modo da dividere quest’ultimo in tante aree esagonali. Ogni area è chiamata CELLA RADIO e dispone della propria antenna con le proprie BANDE DI FREQUENZA.
Di solito le celle sono collegate tra loro tramite ponti radio o specifici cavi a fibra otticha posti sotto terra o addirittura negli oceani per assicurare le connessioni a livello nazionale e internazionale.

Come abbiamo detto, l’onda elettromagnetica prodotta dal telefono, contiene le informazioni della nostra voce. Quest’onda, a sua volta, viene raccolta dalle antenne della cella radio presente all’interno dell’area esagonale in cui ci troviamo. La cella radio converte l’onda in IMPULSI DI LUCE che vengono successivamente trasferiti e raccolti alla base della cella radio, all’interno del MODULO RICETRASMETTITORE, che provvede ad un’ulteriore elaborazione del segnale e all’invio di quest’ultimo alla cella radio di destinazione.

La cella radio di destinazione a sua volta rielabora I segnali ricevuti e gli trasmette nuovamente sottoforma di onda elettromagnetica al telefono cellulare della persona con cui vogliamo parlare. In questa fase il segnale subisce il processo di elaborazione inverso, quindi l’onda contenente le informazioni della nostra voce viene riconvertita in segnale elettrico e successivamente in suono, in modo da far sentire la nostra voce al destinatario della chiamata.

Possiamo dunque affermare che la rete di comunicazione mobile non è solamente wireless, ma utilizza anche la TECNOLOGIA VIA CAVO, per trasferire la chiamata dal nostro telefono al telefono del destinatario.

Ma come fa la nostra cella radio a sapere quale sia l’esatta posizione della cella radio del destinatario della nostra chiamata? Grazie agli MSC, acronimo inglese che sta per Mobile Switching Center.

Il Mobile Switching Center non è altro che una centrale di commutazione telefonica per utenti radiomobili e può essere definito semplicisticamente come l’evoluzione elettronica del tavolo di commutazione manuale nei quale l’operatore metteva in comunicazione il chiamante con il chiamato.

L’MSC dunque rappresenta il punto centrale per un gruppo di celle radio poichè al suo interno contiene le informazioni memorizzate nella sim card di un gruppo di utenti telefonici.

Quindi l’MSC che ha registrato le informazione della nostra sim card nei propri database viene chiamato HOME MSC. Queste informazioni possono essere: il numero seriale della sim, la LOCATION AREA IDENTIFIER, ovvero l’ultima area geografica visitata, ma anche la lista dei servizi a cui l’utente è abbonato, il piano tariffario, il codice PIN e PUK della sim, ma soprattutto il NUMERO DI TELEFONO.
Nel caso in cui dovessimo viaggiare al di fuori dell’area geografica di competenza del nostro HOME MSC, un nuovo MSC gestirà le nostre chiamate, comunicando con il nostro HOME MSC. Quest’ultimo saprà sempre in quale area geografica ci troviamo e quindi indirizzerà correttamente le nostre chiamate in entrata al nostro telefono.

Una tecnica del NOSTRO MSC per sapere in che area geografica ci troviamo è quella di aggiornare periodicamente le informazioni sulla nostra posizione geografica. Questo aggiornamento avviene ogni qual volta ci spostiamo attraverso un certo numero di celle radio.

Per capire meglio queste dinamiche prendiamo ad esempio una tipica chiamata effettuata da un tecnico di impianto che vuole mettersi in contatto con JAES per ottenere un riscontro diretto sulla fornitura immediata di un ricambio industriale necessario al funzionamento dell’impianto:

Quando il nostro tecnico digita il numero di JAES, la richiesta di chiamata arriva al HOME MSC del tecnico. Dopo aver ricevuto il numero di JAES, la richiesta viene inviata all’HOME MSC di JAES.
Ora l’HOME MSC di JAES controlla qual’è l’attuale MSC di JAES, per capire se i loro operatori si trovano nella sede centrale o se invece sono impegnati in altri impianti.

Fortunatamente l’operatore che risponde alle chiamate è sempre presente nella sede centrale di JAES e può rispondere immediatamente alla chiamata.

Nel caso in cui l’operatore di JAES si trovasse fuori sede, l’HOME MSC di JAES semplicemente invia la richiesta di chiamata all’MSC dell’area geografica corrispondente.

Quando parliamo di comunicazione mobile è necessario parlare dello SPETTRO ELETTROMAGNETICO, ovvero dell’insieme di tutte le possibili frequenze delle radiazioni elettromagnetiche necessarie a trasferire gli zero e gli uno accennati all’inizio del video.

Gli utenti infatti si trovano in un determinato RANGE DI FREQUENZA, ovvero i loro dispositivi telefonici presentano una determinata LARGHEZZA DI BANDA diversa dagli altri. Lo spettro elettromagnetico disponibile per la comunicazione cellulare però è abbastanza limitato se paragonato ai migliardi di possessori di telefoni cellulari nel mondo.

A questo scopo diverse GRANDEZZE DI BANDA vengono attentamente distribuite nelle celle radio in modo da essere distribuite tra gli utenti attivi in quella determinata area geografica.

La comunicazione mobile si è evoluta moltissimo in pochi decenni, durante i quali si sono avvicendate le varie GENERAZIONI di dispositivi e reti compatibili con i nuovi standard di telecomunicazione.

I sistemi di prima generazione, apparsi negli anni ’80 sotto la sigla 1G, consentivano di disporre di un telefono completamente wireless. Il problema di questi telefoni è che erano in grado di trasmettere il segnale solo in modalità analogica ed erano in grado di gestire solo il traffico voce.
Il segnale analogico può essere facilmente alterato da fonti esterne, quindi la qualità della comunicazione offerta dai telefoni cellulari di prima generazione, apparecchiature decisamente voluminose, presentava evidenti problemi, come la scarsa qualità audio e le frequenti interruzioni.




Allo scopo di migliorare la qualità di trasmissione, la capacità di sistema e la copertura del segnale, la seconda generazione di reti mobili 2G ha segnato un punto di rottura con la tecnologia precedente, puntando tutto sul passaggio al digitale introdotto dallo standard GSM.
L’uso del digitale ha sancito la nascita dei primi servizi di trasmissione dati, sotto forma di messaggi di testo SMS, messaggi multimediali MMS e WAP, ovvero lo standard che ha consentito l’accesso ad appositi contenuti web da telefono.

La tecnologia 3G introdotta nei primi anni 2000, ha permesso di offrire un’ulteriore velocizzazione nel trasferimento dei dati grazie all’introduzione del protocollo W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), una particolare tecnologia di accesso multiplo al canale radio per reti cellulari.
Un ulteriore incremento della larghezza di banda hanno permesso ai telefoni 3G di avere una velocità di trasmissione dati di 2 megabit al secondo, utile ad inviare e ricevere segnali GPS, video e chiamate vocali.
La tecnologia 3G segna di fatto il passaggio dal comune telefono cellulare allo smartphone.

La sigla 4G identifica la quarta, ed attuale, generazione dei servizi di telefonia mobile. Questa tecnologia permette agli smartphone di avere una velocità di trasmissione dati da 20 a 100 megabit al secondo, adatta per la televisione e per i film ad alta risoluzione.

La caratteristica della prossima generazione 5G che la differenzierà dai precedenti standard comunicativi è la velocità di connessione. Il 5G infatti dovrebbe essere tra le 100 e le 1000 volte più veloce rispetto al 4G.
Il 5G infatti sfrutterà le onde millimetriche, vale a dire onde radio tra 30 e 300 GHz, lo spettro di frequenza più elevato possibile, e rappresenterà lo standard comunicativo pensato per l’Internet delle Cose e la domotica.

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