Nell'ambito delle telecomunicazioni, una femtocella è una piccola stazione radio base cellulare, a bassa potenza, solitamente progettata per l’utilizzo in casa o in piccole attività commerciali. Un termine più ampio maggiormente diffuso nell’industria è small cell, con femtocella come sottogruppo. Anche chiamata femto Access Point, si connette alla rete del service provider attraverso la banda larga (come DSL o cablata); i progetti attuali supportano tipicamente da quattro a otto telefoni cellulari attivi simultaneamente in configurazioni residenziali in base al numero di versione e all’hardware della femtocella, e da otto a sedici telefoni cellulari in configurazioni aziendali. Una femtocella permette ai service provider di estendere la copertura del servizio in zone al chiuso o ai limiti della cella, specialmente dove l’accesso sarebbe altrimenti limitato o non disponibile. Nonostante l’attenzione sia focalizzata sul WCDMA, l’idea è applicabile a tutti gli standard di telefonia cellulare, inclusi GSM, CDMA2000, TD-SCMA, WiMAX e LTE.
Descrizione
L’utilizzo di femtocelle porta benefici sia all’operatore mobile che al consumatore. Per l’operatore mobile, i vantaggi di una femtocella sono miglioramenti sia alla copertura, in particolar modo in zone al chiuso, sia alla capacità. La copertura è migliorata perché le femtocelle possono coprire gli spazi non raggiunti ed eliminare la perdita di segnale attraverso gli edifici. La capacità è migliorata dalla riduzione del numero di cellulari che tentano di usare le celle principali della rete e dallo scaricamento del traffico attraverso la rete dell’utente (via Internet) all’infrastruttura dell’operatore. Invece di utilizzare l’infrastruttura dell’operatore (collegamenti microonde, etc.) viene utilizzato internet. Grazie al meccanismo del breathe delle reti 3G, scaricare su una femtocella estende la distanza di copertura fisica della rete da ogni torre.
Gli utenti e i piccoli business beneficiano di un buon miglioramento della copertura e di un segnale più forte in quanto di fatto hanno una stazione base all’interno dei loro edifici. Come risultato dell’essere relativamente vicini alla femtocella, i telefoni cellulari (appartenenti all’utente) consumando significativamente meno energia per comunicarvici, ottenendo così un incremento di durata della batteria. I telefoni cellulari potrebbero ottenere una migliore qualità della voce (HD voice) in base a diversi fattori come operatore/supporto della rete, contratto del cliente/prezzo del piano, tipo di cellulare e sistema operativo di supporto. Alcuni operatori potrebbero anche offrire tariffe interessanti, per esempio sconti sulle chiamate da casa.
Le femtocelle sono un modo alternativo di portare benefici alla fixed-mobile convergence (FMC). La distinzione è che la maggior parte delle architetture FMC richiede nuovi dispositivi dual-mode che funzionano con access point wireless home/ enterprise esistenti a spettro senza licenza (uso condiviso), mentre una soluzione basata su femtocelle lavorerà con dispositivi esistenti che richiedono però l’installazione di un nuovo access point che utilizza uno spettro con licenza (uso esclusivo).
Molti operatori a livello mondiale offrono servizi di femtocelle, in maggior parte rivolti ad aziende, ma anche a clienti individuali (spesso su pagamento di una tantum) quando reclamano all’operatore un segnalo scarso o assente nei luoghi in cui abitano. Operatori che hanno avviato un servizio di femtocelle sono SFR, AT&T, Sprint Nextel, Verizon, Zain, Mobile TeleSystems, T-Mobile US, Orange, Vodafone, EE, O2, Three, e altri.
Usando la terminologia di 3GPP, un Home NodeB (HNB) è una femtocella 3G. Un Home eNodeB (HeNB) è una femtocella LTE 4G.
Solitamente il range di una stazione radio base standard può arrivare fino a 35 chilometri, di una microcella è meno di due chilometri, di una picocella è 200 metri o meno, e di una femtocella è dell’ordine di 10 metri, anche se AT&T chiama il suo prodotto, con un range di 12 metri, una “microcell”. AT&T utilizza “AT&T 3G MicroCell” come trade mark e quindi non indica necessariamente la tecnologia microcella.
Interfacce radio Sebbene gran parte del focus commerciale sembra essere stato sul sistema mobile universale di telecomunicazioni (UMTS), il concetto è ugualmente applicabile a tutte le interfacce radio. Infatti, la prima installazione commerciale fu il cdma2000 Airave nel 2007 da Sprint.
Le femtocelle sono anche in fase di sviluppo o commercialmente disponibili per GSM, TD-SCDMA, WiMAX e LTE.
La funzionalità e le interfacce di H(e)NB sono sostanzialmente le stesse per High-Speed Packet Access (HSPA) o stazioni base LTE, ad eccezione di poche funzioni aggiuntive. Le differenze consistono principalmente nel supportare le differenze nel controllo degli accessi per supportare l'accesso chiuso per installazioni residenziali o l'accesso aperto per installazioni aziendali, nonché la funzionalità di passaggio per gli abbonati attivi e le procedure di selezione delle celle per gli abbonati inattivi. Per LTE sono state aggiunte funzionalità aggiuntive riepilogate nella Release 9 del 3GPP.
Architetture standardizzate
Gli organismi di standardizzazione hanno pubblicato le specifiche formali per le tecnologie più popolari per le femtocelle, ossia WCDMA, CDMA2000, LTE e WiMAX. Queste si conformano tutte sostanzialmente ad un'architettura con tre elementi principali: I femtocell access point stessi, i quali incorporano funzionalità di rete superiori a quelle delle stazioni base macrocelle, come le funzioni di controllo delle risorse radio. Ciò permette un’autonomia molto maggiore all’interno della femtocella, consentendo l’autoconfigurazione e l’auto-ottimizzazione. Le femtocelle sono connesse ai centri di commutazione dell’operatore di rete utilizzando la banda larga, come DSL o modem cablati. Il femtocell gateaway, che comprende un security gateway che mette fine ad un gran numero di connessioni di dati IP crittografate da centinaia di migliaia di femtocelle, e un signalling gateaway che aggrega e valida il traffico di segnalazione, autentica ogni femtocella e si interfaccia con i centri di commutazione di rete mobile utilizzando protocolli standard, come Iuh. La gestione e il sistema operativo che permette update software e l’amministrazione di controlli diagnostici. Questi utilizzano solitamente lo stesso protocollo di gestione TR-069 pubblicato dal Broadband Forum utilizzato anche per l’amministrazione di modem residenziali.
L’interfaccia chiave in queste architetture è fra il femtocell access point e il femtocell gateaway. La standardizzazione permette una scelta più ampia di femtocelle per poter essere utilizzate con qualsiasi gateaway, incrementando la pressione competitiva e guidando i costi al ribasso. Per le femtocelle WCDMA comuni, questa è definita interfaccia Iuh. Nell’architettura Iuh, il femtocell gateaway si trova tra la femtocella e la rete principale ed effettua le traslazioni necessarie per assicurare che la femtocella sia vista come controller di rete radio dai centri di commutazione mobile (MSCs) esistenti. Ogni femtocella comunica col femtocell gateaway e il femtocell gateaway comunica con gli elementi della rete centrale (CNE) (MSC per le chiamate a commutazione di circuito, SGSN per la chiamate a commutazione di pacchetto). Questo modello è stato proposto dal 3GPP e dal Femto Forum. Nuovi protocolli (HNBAP [Home Node B Application Part] and RUARUA is a Sigtran type protocol used to carry RANAP (Radio Access Network Application Part) signalling over the IP based Iu-h interface. Like that of the other Sigtran adaptation protocols, RUA also uses the services of SCTP (Stream Control Transmission Protocol) on top of IP. [RANAP User Adaptation]) sono stati derivati; HNBAP è utilizzato per il segnale di controllo tra HNB e HNB-GW mentre RUA è un meccanismo leggero per rimpiazzare il Signalling Connection Control Part (SCCP) e i protocolli Message Transfer Part Level 3 User Adaptation Layer (M3UA) nel Radio Network Controller (RNC); la sua funzione primaria è il trasferimento trasparente dei messaggi Radio Access Network Application Part (RANAP).
Nel Marzo del 2010, il Femto Forum e ETSI hanno condotto il primo Plugfest per promuovere l’interoperabilità degli standard Iuh.
Lo standard CDMA2000 rilasciato nel Marzo del 2010 differisce leggermente adottando il protocollo di iniziazione della sessione (SIP) per instaurare una connessione tra la femtocella e un server di convergenza della femtocella (FCS) Le chiamate vocali sono instradate attraverso l’FCS che emula un MSC. SIP non è richiesto o utilizzato dai dispositivi mobili. Nell’architettura SIP, la femtocella si connette alla rete principale dell’operatore mobile che è basata sull’architettura SIP/IMS. Questo si ottiene facendo agire le femtocelle verso la rete SIP/IMS come un client SIP/IMS convertendo la segnalazione 3G di commutazione di circuito in segnalazione SIP/IMS, e trasportando il traffico voce su RTP come definito dagli standard IETF.
Panoramica e benefici
Modalità operativa Le femtocelle sono vendute o concesse in prestito da operatori di telefonia mobile - in inglese mobile network operator (MNO) - ai propri clienti residenziali o enterprise. Una femtocella è tipicamente della dimensione di un gateaway residenziale o anche più piccola, e si connette alla banda larga dell’utente. Esistono anche femtocelle integrate (che includono sia un router DSL che una femtocella). Una volta collegata, la femtocella si connette alla rete mobile dell’MNO, e fornisce una maggior copertura. Dal punto di vista dell’utente, è un plug and play, non ci sono installazioni specifiche o conoscenze tecniche richieste - chiunque può installare una femtocella a casa.
Nella maggior parte dei casi, l’utente deve dichiarare a quali numeri telefonici è consentita la connessione alla sua femtocella, solitamente attraverso un’interfaccia web fornita dall’MNO. Questo deve essere fatto una sola volta. Quando questi telefoni cellulari arrivano sotto la copertura di una femtocella, effettuano automaticamente uno switch dalla macrocella (outdoor) alla femtocella. Molti MNO forniscono un modo per far sì che l’utente sia a conoscenza di questo switch, per esempio mostrando un nome di rete differente nel telefono cellulare. Tutte le comunicazioni passeranno poi automaticamente attraverso la femtocella. Quando l’utente esce dalla copertura della femtocella (che stia effettuando una chiamata o no), il cellulare si riconnetterà alla rete di macrocelle senza problemi. Le femtocelle richiedono hardware specifico, quindi router WiFi o DSL esistenti non possono essere aggiornati a femtocelle.
Una volta installate in una specifica locazione, la maggior parte delle femtocelle hanno meccanismi di protezione così che cambi di locazione verranno riportati all’MNO. La possibilità di consentire alle femtocelle di funzionare in diverse locazioni dipende dalle policy dell’MNO. Cambi di locazione internazionali di una femtocella non sono permessi perché trasmette a frequenze registrate che appartengono a diversi operatori di rete in diverse nazioni.
Benefici per l'utente I principali benefici per un utente sono i seguenti:
Copertura di “5 bar” dove non c’è segnale o si ha un segnale debole Maggior capacità per i dati mobile, la quale è importante se l’utente utilizza i dati mobile nel suo telefono cellulare (potrebbe non essere di rilievo per un gran numero di subscriber che utilizzano il WiFi dove la femtocella è installata) In base alle policy del’MNO, possono essere applicate tariffe speciali per chiamate sotto la copertura della femtocella Per gli utenti enterprise, utilizzare femtocelle al posto di apparati DECT (“cordless” home) consente di avere un singolo telefono, quindi una singola lista di contatti, ecc. Aumento di durata della batteria per dispositivi mobile grazie una distanza trasmettitore-ricevitore ridotta