Come funziona un telefono cellulare

Nell’aprile 1973 l’ingegnere Martin Cooper, da un marciapiede di New York, telefona a Joel Engel, suo collega e rivale, dicendo: “Ce l’abbiamo fatta, la telefonia cellulare è una realtà.”

Dieci anni dopo la telefonata dal prototipo di Cooper, è stato messo in commercio il primo telefono cellulare e oggi, a più di 50 anni di distanza, i telefoni cellulari, come altri dispositivi che utilizzano campi elettromagnetici nel settore delle telecomunicazioni, fanno ormai parte della nostra quotidianità, personale, familiare e professionale.

A dicembre 2023 (dati dell’Autorità per le Garanzie nelle Comunicazioni - AGCOM) in Italia risultano attive circa 80 milioni di SIM: un dato decisamente in crescita rispetto gli anni precedenti.

Il telefono cellulare è un dispositivo complesso che utilizza segnali radio per connettersi alle reti cellulari, consentendo chiamate, messaggi e navigazione su internet.

Ogni telefono cellulare è parte di una rete. Nelle comunicazioni a distanza, lo spazio che ci circonda viene virtualmente suddiviso in aree, dette celle, tra loro adiacenti, proprio come gli spazi tra i nodi di una rete. All’interno delle celle sono presenti le antenne, che trasmettono e ricevono segnali radio, campi elettromagnetici in grado di trasportare numerose informazioni sotto forma di energia. In ogni cella quindi, tra le antenne in essa collocate e i telefoni cellulari al suo interno, si instaura una sorta di dialogo in cui le parole non sono altro che onde elettromagnetiche, tradotte poi dai dispositivi in immagini e suoni. La connessione tra le antenne e i telefoni cellulari dipende da molti fattori tra cui la distanza tra essi, la presenza di ostacoli e dell’atmosfera, la curvatura terrestre, le condizioni meteorologiche, la presenza di rilievi montuosi.

L’infrastruttura principale della telefonia cellulare è costituita dalla Stazione Radio Base (SRB): un insieme di antenne che trasmettono e ricevono segnali verso e dal telefono cellulare. Le antenne possono essere installate su appositi tralicci o su edifici. In ogni Stazione Radio Base possono essere installati più impianti con diverse tecnologie (GSM, UMTS, LTE, 5G) e la distribuzione sul territorio è tale da garantire il segnale a tutti gli utenti. Per questo motivo le stazioni sono maggiormente presenti nelle aeree urbane densamente abitate. La potenza emessa dai telefoni e dalle stazioni fisse è strettamente limitata a quella utile per coprire la distanza tra terminale e stazione e viceversa, ed è automaticamente ottimizzata istante per istante in funzione della distanza tra di essi.

Il segnale emesso dalle antenne e dai telefoni cellulari, è un segnale trasportato da campi elettromagnetici.

I campi elettromagnetici devono essere immaginati come delle onde e come tali hanno tre caratteristiche principali, l’ampiezza, la lunghezza e la frequenza.

L’ampiezza corrisponde all’altezza dell’onda, dà una misura della potenza del segnale e si misura in Watt.

La lunghezza, che si misura in metri, rappresenta la dimensione dell’onda, si pensi ad esempio alle onde osservabili a riva, sono onde molto corte, o alle onde dell’oceano profondo, molto estese.

La frequenza corrisponde al numero di oscillazioni del campo elettromagnetico in un certo periodo di tempo: l’equivalente del numero di onde che si infrangono a riva in un secondo. La frequenza si misura in Hertz e suoi multipli, come il Mega Hertz, cioè 1 milione di Hertz o il Giga Hertz, pari a 1000 milioni di Hertz.

A seconda del loro impiego o campo di applicazione, le onde elettromagnetiche si presentano con diverse frequenze e l’insieme di tutte le onde elettromagnetiche viene chiamato spettro elettromagnetico.

Dal primo telefono cellulare agli smartphone di oggi, la tecnologia a servizio di questi dispositivi è migliorata profondamente in relazione a velocità, capacità di trasmissione dei dati e periodo di latenza, l’intervallo di tempo tra l’invio di un segnale e la ricezione dello stesso.

Le reti di telefonia mobile di prima generazione, apparse negli anni ’80 sotto la sigla 1G, potevano garantire solo un traffico voce ed utilizzavano frequenze intorno ai 450 MHz. Sono state progressivamente sostituite, nella seconda metà degli anni ’90 dal sistema di seconda generazione 2G, chiamato GSM (Global System for Mobile Communications) che opera nell’intervallo di frequenze compreso tra 900 e 1800 MHz, a sua volta superato dallo standard di terza generazione, 3G, chiamato UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) che utilizza bande di frequenza comprese tra 900 MHz e 2100 MHz, ad oggi già dismesso o in fase di dismissione da parte di diversi operatori. Dal 2011 è stato introdotto lo standard di quarta generazione, 4G, chiamato LTE (Long Term Evolution), che in Italia opera nelle bande di frequenza comprese tra 700 MHz e 2,6 GHz.

Alla ricerca della rete

Quando telefoniamo, l’antenna del nostro cellulare emette energia durante la ricerca della stazione (potenza massima) e nel corso della conversazione, ma solo quando siamo noi a parlare, mentre non viene emessa energia durante la fase di ascolto dell’interlocutore. Quando la qualità della copertura delle stazioni è ottimale i telefoni sono in grado di operare alla potenza minima, o quasi. Al contrario una scarsa o poco efficiente copertura di rete costringe il telefono a ricercare in continuazione la migliore connessione e ad utilizzare ripetutamente la sua potenza massima. Le condizioni di traffico nella rete possono portare infatti il telefono a cercare la connessione su stazioni diverse rispetto a quella più vicina. Ciò è possibile perchè ogni porzione di territorio di solito è coperta da più celle, allo scopo di ottimizzare il servizio e garantirlo in caso di guasti.

Cambiamenti di stazione (hand-over in linguaggio tecnico) possono intervenire più volte durante una stessa chiamata e ciò comporta l’emissione di potenza da parte del telefono a livelli che si aggirano attorno al valore massimo, per poi ridursi di nuovo. Anche il movimento dell’utente (ad esempio quando telefoniamo in automobile) induce il telefono a ricercare frequentemente nuove connessioni con la migliore stazione disponibile. È importante ricordare che, a differenza dei sistemi analogici di telefonia cellulare, i sistemi digitali (GSM e UMTS) hanno fortemente ridotto l’esposizione degli utilizzatori grazie alle tecniche di controllo automatico della potenza (APT – Adaptive Power Control) e ad altre caratteristiche operative.

Uno sguardo al 5G

La distribuzione globale della comunicazione di quinta generazione, 5G, è stata avviata nel 2019. Questo standard di comunicazione viene anche chiamato “l’internet delle cose” perché garantirà una comunicazione più efficace, non solo tra le persone ma anche tra i vari dispositivi, attraverso le tecnologie impiegate per le reti locali Wi-Fi (acronimo di Wireless Fidelity), cioè le reti senza fili.

Lo farà utilizzando un intervallo di frequenze comprese tra 700 MHz circa e 27,5 GHz, impiegando quindi una banda cosiddetta bassa (inferiore a 1 GHz), media (inferiore a 6 GHz) ed elevata (fino alle onde millimetriche con frequenza compresa tra 26,6 GHz e 27,5 GHz).

La banda bassa, che corrisponde al trasporto di onde elettromagnetiche lunghe, garantisce per questo motivo una maggiore copertura del territorio, anche nelle aree rurali.

La banda media rappresenta un buon compromesso tra copertura, velocità e capacità di trasmissione dati.

La banda elevata invece è maggiormente utile per quei contesti che richiedono prestazioni elevate: le onde corte sono in grado di trasportare maggiore energia, permettendo ai dispositivi connessi di avere migliori prestazioni in termini di velocità, capacità e tempo di latenza, ma la loro capacità di penetrazione è ridotta e durante la loro propagazione nello spazio, non riescono ad attraversare gli edifici, oltre che essere facilmente assorbite dalla pioggia e dalla vegetazione.

Per questo si prevede un aumento significativo di stazioni per la banda a frequenze elevate.

Sarà quindi necessario utilizzare le cosiddette small cells, piccole antenne adattive in grado di garantire una copertura di segnale compresa tra una decina e qualche centinaio di metri, che emettono il segnale solo nella direzione del dispositivo, mentre le celle attuali possono garantire una copertura di rete di diversi chilometri. Per questo servirà un numero maggiore di celle e questa futura "proliferazione" di antenne è l'aspetto che sembra destare più preoccupazione nella popolazione circa gli effetti sulla salute.

Va considerato però che l’effetto finale potrebbe essere come quello di un gruppo di persone che parlano tra loro: se sono vicine possono parlare mantenendo un tono di voce normale, se si allontanano saranno costrette ad alzare la voce. Immaginate che le persone siano le antenne e il volume della voce sia la potenza delle stesse: il maggior numero di installazioni comporterà un livello inferiore di emissione delle antenne. Inoltre, tali celle non saranno installate su tutto il territorio, ma verranno ubicate laddove saranno strettamente necessarie, per esempio in centri commerciali, stadi, stazioni e aeroporti, ovvero in luoghi dove la richiesta di capacità, unita al numero di dispositivi connessi, sarà elevata. Si può pertanto ritenere che l’esposizione alla popolazione nel suo complesso non aumenterà in modo significativo rispetto a quella dovuta ai precedenti sistemi.

I principali vantaggi nella diffusione della tecnologia 5G riguarderanno la velocità di trasmissione, stimata circa 100 volte superiore a quella del 4G, l’aumentata capacità di trasmissione dati, l’aumentata densità di collegamenti fra i dispositivi (fino a 1 milione per Km quadro), il ridotto intervallo di tempo tra l’invio e la ricezione del segnale, che permetterà di monitorare a distanza e in tempo reale dispositivi fra loro connessi. Inoltre, si deve considerare che le celle 5G hanno un consumo energetico ridotto rispetto le celle delle precedenti generazioni.

In pratica, sono molti gli scenari in cui il 5G potrebbe migliorare la qualità della vita, tra questi la gestione dei servizi di telemedicina e dell’attività sanitaria da remoto.