WMAN e WWAN - WiMAX, reti cellulari e 5G
Dalle celle esagonali che moltiplicano la capacita radio alla virtualizzazione del Core: come WiMAX ha anticipato il broadband metropolitano, come 2G-5G ha trasformato la voce in pacchetti IP, e perche network slicing, gNB e SUCI sono il cuore del 5G SA che porterai in lab.
WMAN e WWAN — reti su scala urbana e globale
Abbiamo visto le reti personali (WPAN) e locali (WLAN). In questa lezione saliamo di scala: le WMAN coprono citta intere, le WWAN coprono nazioni e il pianeta intero. Entrambe richiedono infrastrutture gestite da operatori specializzati — non si configurano in casa.
WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) = copertura 5-50 km, IEEE 802.16 WiMAX. WWAN (Wireless Wide Area Network) = copertura nazionale/globale, reti cellulari 2G/3G/4G/5G. Entrambe: spettro licenziato, QoS garantita, autenticazione provider.
Operator-managed metropolitano
Base Station con backhaul in fibra da 10-30 km LOS. Esempio: connettivita aree rurali dove non arriva fibra. Spettro da comprare all AGCOM.
Cellulare planetario
Centinaia di migliaia di celle, core network virtualizzato. Roaming internazionale, riuso frequenze, handover <10ms in 5G.
WiMAX — Wireless Metropolitan Area Network
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e basato sullo standard IEEE 802.16 e progettato per fornire connettivita a banda larga su scala metropolitana, come alternativa o complemento alle infrastrutture cablate.
WiMAX non e Wi-Fi su scala piu larga. Wi-Fi e ISM 2.4/5GHz libero, auto-gestito, best-effort. WiMAX e OFDM su bande licenziate 2.5/3.5 GHz, QoS garantita, scheduling centralizzato BS, autenticazione PKI. Non puoi accendere una BS WiMAX senza concessione. Un errore che costa bocciatura all esame di progettazione.
Architettura WiMAX
Cuore radio
Copre settore 120° fino a decine di km LOS. Gestisce scheduling DL/UL, QoS, handover WiMAX. Collega backhaul IP in fibra o microonde punto-punto.
Subscriber Station
Fisso: antenna esterna direzionale + IDU interno. Mobile: dongle integrato. Possiede certificato X.509 del produttore per autenticazione verso BS.
Core operator
ASN Gateway aggrega BS, fa AAA con RADIUS, instrada verso CSN e poi Internet. Qualita backhaul determina prestazioni reali.
In istituto abbiamo simulato WiMAX 3.5GHz con 2 CPE: senza LOS dietro palazzina throughput crolla da 22 Mbps a 3 Mbps per NLOS. Per esame: motiva sempre LOS vs NLOS e spiega perche 4G ha vinto: ecosistema smartphone + MIMO 2x2 economico vs CPE costoso. Configura QoS: voce UGS con grant periodici, streaming rtPS.
Sicurezza WiMAX — PKMv2
WiMAX integra nativamente la sicurezza a livello MAC tramite il protocollo PKM (Privacy and Key Management), nella versione piu evoluta PKMv2.
Autenticazione dispositivo con certificato X.509 emesso dal vendor - negoziazione TEK con EAP - cifratura traffico AES-128-CCM a livello MAC. Non opzionale: parte del protocollo.
| Livello | Meccanismo | Dettaglio originale preservato | Nota docente |
|---|---|---|---|
| Autenticazione PKI | Certificato X.509 su CPE | BS verifica certificato in associazione, solo device legittimi | Se cert revocato - rifiuto, come 802.1X |
| Gestione chiavi | TEK + EAP | TEK rinnovata periodicamente senza drop, supporto EAP per identita utente oltre device | Analogo a 4-way handshake Wi-Fi ma gestito BS |
| Cifratura | AES-128 CCM | Protezione MAC integrata, non estensione opzionale | CCM = CTR + CBC-MAC: confidentiality + integrity |
Copertura e casi d'uso
Frazione senza fibra
WiMAX fisso 3.5GHz copre 8 km NLOS per 120 utenze. Alternativa a FWA 4G/5G prima del 2020.
Collegamento stazioni radio
Punto-punto 28GHz 100 Mbps per collegare small cell 4G dove scavo fibra impossibile.
Rete critica deploy rapido
BS su camion + generatore, CPE battery per protezione civile dopo terremoto.
Scenario: sede centrale + succursale a 6 km senza fibra. Idea WiMAX-like: BS su tetto centrale con settore 90°, CPE direzionale succursale con antenna 23 dBi. In lab simuliamo con 2 router MikroTik 5GHz Nstreme: throughput 45 Mbps, latenza 8ms. Calcola Fresnel: ostacolo alberi 60% = serve palo +2m. Valuta trade-off vs 5G FWA oggi.
WiMAX ha perso la competizione con il 4G/LTE per il mercato mobile, ma rimane rilevante in scenari specifici di connettivita punto-multipunto su scala metropolitana.
Reti cellulari — il concetto fondamentale
Prima di analizzare l evoluzione tecnologica e fondamentale capire il meccanismo che sta alla base di tutte le reti mobili: la struttura a celle.
Perche si usa la struttura a celle
Una singola antenna ad altissima potenza per coprire un intera nazione sarebbe impraticabile: tutta la potenza concentrata, ogni utente riceve segnale diversissimo, e soprattutto la stessa frequenza non puo essere usata altrove. La soluzione e dividere il territorio in celle — aree geografiche piu piccole, ciascuna servita da una stazione base con potenza moderata. Questo permette di:
Moltiplica capacita
Cluster k=4: stessa banda riutilizzata in celle non adiacenti distanti D=R*sqrt(3k). Capacita totale = N_celle * banda/cella.
Piu utenti
Da 1 macro-cella 1000 utenti alla stessa frequenza - 7 micro-celle 7000 utenti con stessa banda di sistema.
Vicino alla BS
Path loss ∝ d^3.5. Dimezzare raggio = +10 dB segnale, meno interferenza, batteria phone dura di piu.
Handover — continuita durante il movimento
Quando un utente in movimento si sposta da una cella all altra, la rete deve trasferire la connessione senza interruzione percepibile — questo processo si chiama handover (o handoff).
Avvia scanner con RTL-SDR: mostra 10 celle 4G su 800 MHz, 1800 MHz. Misura RSRP camminando in cortile. Spiega ping 100 ms stabile grazie a handover vs Wi-Fi senza handover veloce. Errore: credere che piu potenza BS = meglio; in realta piu interferenza co-canale.
Evoluzione delle reti mobili — da 2G a 5G
| Gen. | Standard | Velocita | Stazione base | Innovazione chiave |
|---|---|---|---|---|
| 2G | GSM, GPRS, EDGE | fino a 384 kbps | BTS | Digitalizzazione voce, SMS, primi dati mobili |
| 3G | UMTS, HSPA, HSPA+ | fino a 42 Mbps | NodeB / RNC | Dati reali, videochiamate, Internet mobile W-CDMA |
| 4G | LTE, LTE-Advanced | fino a 1 Gbps | eNodeB | Rete 100% IP, OFDMA, MIMO 2x2/4x4, VoLTE (voce su IP) |
| 5G | 5G NR (New Radio) | fino a 20 Gbps | gNodeB (gNB) | Network slicing, Massive MIMO 64x64, mmWave, URLLC <1ms |
In 2G e 3G esistevano reti separate per voce (circuito) e dati (pacchetto). LTE ha eliminato la distinzione: tutto su IP, voce inclusa con VoLTE. Semplificazione ma tutta la voce passa su SIP/RTP - implica sicurezza IP per telefonate.
2G: chiamata crolla in galleria, GPRS lento WAP. 3G: YouTube 240p in movimento, batteria scarica da RNC. 4G: streaming 1080p stabile in treno 120km/h, VoLTE HD Voice. 5G SA: cloud gaming 4K latency 12ms con copertura FR1. In istituto misura con iPerf3 su modem 4G: 38 Mbps DL, 28ms RTT.
5G NR — i tre scenari e il network slicing
Il 5G e progettato per supportare contemporaneamente tre categorie di servizi con requisiti radicalmente diversi — non solo piu veloce.
enhanced Mobile Broadband
20 Gbps picco, Gbps utente. Latenza 10-50ms. Caso istituto: streaming multicamera evento 4K da 50 telefoni in auditorium.
Ultra-Reliable Low Latency
<1ms, affidabilita 99.9999%. Non banda, ma determinismo. Caso: PLC robot saldatura controllato via 5G private.
massive Machine Type
1M device/km2, batteria 10 anni, piccoli pacchetti. Caso: 2000 sensori temperatura/humdita istituto su NBIoT via 5G.
Network Slicing — la rete virtuale su misura
Il network slicing e una delle innovazioni concettuali piu importanti del 5G. Permette di creare multiple reti virtuali indipendenti — le slice — sopra la stessa infrastruttura fisica, ciascuna con caratteristiche personalizzate.
Immagina un autostrada fisica unica con tre corsie separate: corsia express riservata ambulanze (URLLC — sempre libera, priorita max), corsia normale traffico ordinario (eMBB), corsia lenta camion pesanti (mMTC — molti, lenti). La strada e una sola ma regole diverse. Network slicing fa questo sullo spettro e Core.
Per esame proponi: slice eMBB per didattica streaming 200 client 500 Mbps garantiti, slice URLLC per emergenza pulsante allarme lab latenza <10ms con preemption, slice mMTC per contatori. Spiega SST e SD, e perche NSA non basterebbe: senza 5GC non puoi isolare traffico — un picco YouTube bloccherebbe robot. Disegna UPF al edge per URLLC vs UPF centrale per eMBB.
NSA vs SA — le due modalita di deployment 5G
Radio 5G, Core 4G
Le gNB si appoggiano a EPC esistente. Dual connectivity EN-DC: LTE anchor gestisce signaling, NR aggiunge throughput. Deployment rapido, ma nessuna slicing ne URLLC <1ms.
Rapido - No slicing - Latenza limitata
Radio + Core 5G
5GC nativo con SBA, network functions virtualizzate AMF, SMF, UPF, UDM. Abilita slicing, MEC, 5G-AKA completo. Investimento maggiore, target finale.
Slicing si - <1ms si - 5G-AKA si - CapEx alto
Italia TIM 2022: NSA su 3.7GHz in 30 citta con LTE B3 anchor. Throughput 600 Mbps ma latenza 22ms per EPC. 2024 SA pilot: UPF edge a Milano, slicing per evento MotoGP con eMBB dedicato a broadcaster — zero jitter vs pubblico. Per progetto istituto: indica che NSA oggi = 80% copertura, SA solo campus/private 5G.
Sicurezza nelle reti cellulari
L evoluzione della sicurezza — da 2G a 5G
| Gen | Autenticazione | Cifratura | Vulnerabilita storica |
|---|---|---|---|
| 2G GSM | Solo UE verso rete, A3/A8 COMP128 | A5/1 rotta | IMSI in chiaro, IMSI catcher banale, no integrita signaling |
| 3G UMTS | Mutua AKA, KASUMI | UEA1/UIA1, KASUMI + integrita | IMSI ancora esposto, downgrade a 2G |
| 4G LTE | EPS-AKA, SNOW3G/AES | EEA/EIA, tutto IP VoLTE cifrato | IMSI catturabile initial attach - IMSI catcher 4G |
| 5G NR | 5G-AKA + EAP-AKA, SUCI con ECIES | NEA/NIA, SUPI mai in chiaro | Risolve IMSI catcher, ma attenzione null scheme |
SUCI — la protezione dell identita nel 5G
In 2G/3G/4G IMSI trasmesso in chiaro all inizio. Con SUCI, UE cifra SUPI con chiave pubblica home network usando ECIES (Curve25519) prima di trasmettere. Fake BTS vede solo SUCI random, non SUPI reale. Solo UDM home con chiave privata decifra.
IMSI catcher 5G? Se operatore implementa bene SUCI, non funziona piu. Attacco residuo: costringere UE a 4G (downgrade) dove SUCI non esiste, o usare SUCI null. In lab: cattura con srsRAN - se vedi SUCI type 1 ECIES ok; se type 0 null vulnerabile. Segnala sempre null scheme come errore grave.
Frequenze 5G — il trade-off copertura/capacita
Bande 700 MHz – 6 GHz
Buona copertura decine km, penetrazione edifici accettabile. Velocita fino a pochi Gbps. Es. Italia: 700 MHz rural, 3.7 GHz citta 100MHz continui.
Onde millimetriche
Velocita 20 Gbps teorici, copertura 100-200m, bloccata da pareti e pioggia. Hotspot alta densita: stadi, stazioni, fabbriche private 5G con beamforming.
Lab saldatura robot: Wi-Fi 6E 6GHz condiviso con 30 laptop - jitter 15ms, robot scatta. Private 5G 3.7GHz 40MHz dedicata + slice URLLC con UPF MEC in armadio rack - jitter <2ms determinismo garantito. 1 AP Wi-Fi copre 20m, serve roaming; 1 gNB indoor copre 50m con beamforming 8x8, handover gestito.
Verifica / Esercizio guidato
Progetta il 5G dell istituto — slicing reale con 2000 device
Istituto 3 piani, 800 studenti, vuoi: (A) streaming evento 4K auditorium 300 posti, (B) robot collaborativo lab meccanica con stop emergenza wireless <5ms, (C) 2000 sensori IoT temperatura/luci. Hai private 5G 3.7GHz 100MHz + edge MEC. Progetta slice.
- Definisci 3 S-NSSAI (SST e SD) e DNN: eMBB evento, URLLC robot, mMTC sensori. Indica 5QI, latenza target, ambr.
- NSA vs SA: quale scegli e perche NSA non basterebbe per URLLC? Disegna posizione UPF per ciascuna slice.
- Sicurezza: come proteggi SUPI con SUCI? Cosa succede se attaccante porta IMSI catcher 4G e forza downgrade? Mitiga.
- Frequenze: useresti mmWave 26GHz? Motiva copertura e blocco muri istituto. Confronto con Wi-Fi 6E.
- Configurazione: scrivi AT+CGDCONT per 3 DNN e snippet MQTT per sensori su slice mMTC.
1) Slice design: eMBB SST=1 SD=010203 DNN=event.istituto 5QI=9 AMBR 1.5 Gbps DL. 300 telefoni x 5 Mbps = 1.5 Gbps, ok 100MHz 4x4 MIMO ~1.2 Gbps reali - serve carrier aggregation. URLLC SST=2 SD=020203 DNN=robot.istituto.local 5QI=82 PDB 10ms GFBR 2 Mbps reliability 99.999%. UPF al MEC lab, 1ms fibra. Latency budget radio 2ms + MEC 1ms + PLC 1ms = 4ms <5ms ok. Se UPF centrale Milano 12ms fail. mMTC SST=3 2000 device x 32 byte ogni 5 min = 64KB, irrisorio, PSM/eDRX 10 anni batteria.
2) NSA vs SA: NSA usa EPC, non ha S-NSSAI nativo, UPF unico EPC lontano - latenza 20-30ms anche se radio 5G. URLLC impossibile. SA obbligatorio: 5GC con SMF per slice, UPF distribuiti. eNB ancor non serve in SA.
3) Sicurezza SUCI: Configura HN public key in USIM Profile A Curve25519. UE costruisce SUCI type=1 ECIES. Wireshark check Registration Request SUCI, scheme !=0. Mitigazione downgrade: policy NR only, disable 2G/3G, SUCI null disallowed in UDM. IMSI catcher 4G rilevabile con detector RSRP anomalo + TAC improvviso.
4) mmWave: 26GHz in istituto inutile per copertura piani (bloccato da muri cemento 20dB). Utile solo lab open space 15x10m LOS robot - gNB mmWave 400MHz per 3 Gbps video ispezione. Altrimenti resta su 3.7GHz. Wi-Fi 6E 6GHz piu economico per eMBB auditorium ma senza SLA slicing e con contesa CSMA.
5) Config: AT+CGDCONT=1,"IP","event.istituto" etc. MQTT sensori su slice 3: broker interno 10.99.0.10 raggiungibile solo via slice mMTC, qos=0 per risparmio batteria. Test preemption: iPerf 1.5 Gbps su eMBB + stop robot: eMBB droppato 10% ma robot latenza 3ms - isolamento slice riuscito.
Riepilogo e concetti chiave
📚 Prossimo passo — IoT ecosistema, architettura e sicurezza
Hai chiuso la scala metropolitana e globale. Ora torniamo a cio che le usa: come costruire un ecosistema IoT end-to-end che gira su URLLC/mMTC slice, con sicurezza device-to-cloud, provisioning, OTA e threat model.