Sperimentazione 5G e valutazioni previsionali CEM

ISBN 9788888648477

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Sperimentazione 5G e valutazioni previsionali CEM

1_{ARPA PUGLIA - U.O.S. Agenti Fisici Dipartimento Provinciale di Bari - Corso Trieste, 27 – 70126 BARI} [email protected]

Riassunto

Nel settore delle telecomunicazioni l’evoluzione tecnologica nell’ultimo ventennio ha subito un rapidissimo sviluppo fino a portare al recente avvio della sperimentazione dei segnali e delle tecnologie di quinta generazione (cosiddetto 5G) che interessa il territorio della Città Metropolitana di Bari. La tecnologia 5G si caratterizza per l’introduzione di nuove frequenze e nuove funzionalità che rendono i rilievi e le valutazioni teoriche particolarmente impegnativi.

Per la valutazione dell’esposizione della popolazione ai campi elettromagnetici in tale ambito, in assenza di una normativa nazionale di settore e delle relative norme tecniche, si è fatto riferimento alla norma tecnica internazionale IEC 62232 (IEC, 2018), adottata tal quale dal CEI in data 01/03/2018 con numero 106-37, nonché al Technical Report IEC TR 62669:2019 del 05/04/2019 (IEC, 2019).

Verranno presentati dei casi-studio relativi a valutazioni previsionali mediante modelli teorici (Baracca, 2018).

LO STANDARD 5G

Con l'acronimo 5G si fa comunemente riferimento alle tecnologie e agli standard di quinta generazione per la telefonia mobile.

Nel documento "Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio

interface (s)” (ITU, 2017), la “International Communication Union” (ITU), ovvero l’agenzia Onu che

stabilisce le politiche internazionali sullo spettro radio, ha esplicitato i requisiti minimi per definire le caratteristiche tecniche del 5G. I più significativi tra essi sono riportati in fig. 1.

Figura 1 - Gli sfidanti requisiti dello Standard 5G (TIM, 2017).

Una cella 5G dovrà garantire una velocità di picco di almeno 20 Gbps (2,5 gigabyte al secondo) in download e di almeno 10 Gbps (1,25 gigabyte al secondo) in upload, mentre attualmente una cella LTE può trasferire non più di 1 Gbps.

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La rete 5G dovrà essere in grado di supportare fino a 1 milione di dispositivi connessi per km2_{. I}

tempi di latenza non dovranno superare i 4 ms, mentre quelli della rete 4G si attestano attorno ai 20 ms.

Le celle 5G dovranno avere un consumo energetico molto limitato anche quando saranno sotto carico e dovranno essere dotate di una modalità di risparmio energetico quando non saranno utilizzate. Inoltre, le stazioni di terra della rete 5G dovranno supportare qualunque dispositivo si trovi nelle loro vicinanze, sia esso fermo o in movimento. Nel dettaglio, nel documento (ITU, 2017) si fa riferimento alle specifiche da rispettare nelle aree urbane densamente popolate, dove difficilmente i mezzi possono raggiungere velocità altissime (velocità stimate da 0 fino al massimo 120 km/h) e nelle aree rurali, nelle quali invece sarà necessario garantire la connessione agli utenti che si muovono a piedi, a bordo di un'automobile o di mezzi ultraveloci come i treni ad alta velocità (velocità comprese tra 0 e 500 km/h).

Per soddisfare i requisiti appena elencati, ed in particolare l'incremento di velocità di trasmissione e di capacità, la bassa latenza, l’elevata densità di dispositivi simultaneamente connessi, la rete 5G sarà basata su alcuni elementi tecnologici innovativi.

In primo luogo, si utilizzeranno larghezze di banda di 100 MHz e superiori per il trasferimento dati, inoltre, si farà ampio utilizzo del beamforming (Fig. 2) ossia della tecnologia, già nota in campo WiFi, per direzionare e concentrare il segnale verso la posizione fisica dei dispositivi client. In termini più tecnici, il beamforming è una tecnica di "lavorazione" di un'onda che consente la trasmissione e la ricezione direzionale del segnale. Ciò è reso possibile dall'utilizzo combinato di particolari apparati ricetrasmittenti che consentono di creare interferenze costruttive o distruttive, a seconda della necessità. Questo, per l'appunto, consente di direzionare il segnale dove meglio si crede.

Figura 2 – Schema di funzionamento del MIMO e del Beamfoarming.

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Il beamforming si otterrà facendo ricorso ad antenne Massive MIMO (Input Multiple-Output) per ottimizzare la possibilità di invio e ricezione simultanea dei dati verso un maggior numero di dispositivi connessi.

I sistemi MIMO sono costituiti da antenne multiple sia in trasmissione che in ricezione (fig. 2): ciò consente di ospitare nel canale una maggior quantità di dati, con notevoli vantaggi prestazionali in termini di affidabilità, efficienza spettrale, efficienza energetica, copertura.

Per tutte le ragioni sopra elencate, spesso ci si riferisce alla tipica antenna 5G indicandola col nome di “smart antenna” (antenna intelligente).

Il 5G sfrutterà prevalentemente la modalità di trasmissione e ricezione TDD (Time Division Duplex), ovvero una modalità di trasmissione e ricezione dati in cui i segnali in uplink e downlink condividono la stessa banda di frequenza ma occupano slot temporali differenti.

Le bande di frequenza da assegnare al 5G sono state stabilite dal MISE, con il Decreto del 05/10/2018 “Piano nazionale di ripartizione delle frequenze” (MISE, 2018) e successivamente messe all’asta. Il 5G lavorerà su tre bande di frequenze, ovvero la banda 700 MHz (da 694 a 790 MHz), la banda 3600 MHz (da 3600 a 3800MHz) e la banda 25 GHz (da 26,5 a 27,5 GHz), come mostrato in Tab. 1.

Tabella 1 – Bande di Frequenza assegnate dal MISE al 5G (MISE, 2018).

BANDA 700 MHz BANDA 3600 MHz BANDA 25GHz 694 MHz 3600 MHz 26,5 GHz 790 MHz 3800 MHz 27,5 GHz

La banda 700 MHz è il miglior compromesso per raggiungere un ottimo livello di trasferimento dati e, al contempo, “penetrare” attraverso le strutture come muri, soffitti e, dunque, raggiungere con più efficacia i dispositivi degli utenti. Le basse frequenze sono la base per una copertura mobile diffusa e pervasiva. Attualmente queste frequenze sono occupate dalle trasmissioni del digitale terrestre che, infatti, sarà spostato su altre a partire dal 2020 fino al 2022.

La banda 25GHz include le cosiddette “onde millimetriche” (con frequenza compresa tra 26,5 e 27,5 GHz e lunghezza d’onda compresa tra 1 e 10 mm) che, al contrario delle onde a bassa frequenza (banda 700), hanno una portata inferiore e possono essere facilmente schermate da oggetti come muri, edifici e arredi urbani. Tuttavia, esse consentono di sfruttare canali di comunicazioni molto più ampi rispetto alle frequenze minori e, dunque, garantiscono maggiori velocità di trasferimento dati e minore latenza.

Per ovviare ai problemi delle onde millimetriche (basso potere penetrante), saranno utilizzate antenne più piccole e diffuse, che avranno dunque una portata inferiore rispetto a quelle in uso oggi, ma saranno distribuite sul territorio con una maggior densità. Tali antenne sono conosciute come “small cells” proprio perché dividono il territorio in porzioni ridotte per garantire una copertura migliore.

La banda intermedia, ossia quella caratterizzata da frequenze che vanno da 3600 a 3800 MHz, sarà sfruttata per coperture macro-cellulari in ambienti molto abitati e in quelli contraddistinti da architetture ibride in zone con inferiore densità di popolazione. In Italia la banda 3,5 GHz è considerata la banda “Pioneer” per il 5G, su cui è in corso la sperimentazione in 5 città Italiane: Milano, Prato, L’Aquila, Bari e Matera.

Come si vede, si tratta di un ampio spettro di frequenza, caratterizzato da onde elettromagnetiche con caratteristiche profondamente diverse tra loro e, pertanto, l’uso ottimizzato dello spettro (Fig. 5) rappresenta un elemento fondamentale per un dispiegamento efficace, in grado di raggiungere i diversi obiettivi di performance del 5G (TIM, 2017).

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Figura 3 – Spettro 5G e ottimizzazione dell’uso delle frequenze (TIM, 2017)

LA SPERIMENTAZIONE 5G E L’APPROCCIO STATISTICO-CONSERVATIVO

«BariMatera5G» è il progetto con cui TIM, Fastweb e Huawei si sono aggiudicate congiuntamente il bando di gara del MISE per la sperimentazione della nuova tecnologia 5G nelle città di Bari e Matera.

ARPA Puglia è coinvolta direttamente nella sperimentazione del 5G nella città di Bari coerentemente alla propria “mission” ed in ottemperanza ai propri compiti istituzionali. Infatti, in base alla vigente normativa, ARPA interviene nei procedimenti autorizzatori valutando, attraverso un’attività modellistica preventiva, la compatibilità dei progetti degli impianti radioelettrici con i limiti di esposizione, i valori di attenzione e gli obiettivi di qualità stabiliti uniformemente a livello nazionale dal D.P.C.M. 08/07/2003 e s.m.i.

In merito al 5G, per l’attività modellistica preventiva, in assenza di una legislazione nazionale di settore e relative norme tecniche, si è fatto riferimento alla norma tecnica internazionale IEC 62232 (IEC, 2018) adottata tal quale dal CEI in data 01/03/2018 con numero 106-37, nonché al Technical Report IEC TR 62669:2019 del 05/04/2019 (IEC, 2019).

Nella fase modellistica preventiva, è possibile utilizzare un approccio “deterministico conservativo” oppure un approccio “statistico conservativo” (IEC, 2018). L’approccio deterministico conservativo consente di ricondurre la valutazione del campo elettrico generato da antenne “intelligenti” alla valutazione previsionale del campo elettrico generato da antenne passive (tradizionali), utilizzando il guadagno massimo in tutte le direzioni e la potenza massima emessa. Questo approccio non consente però di effettuare delle valutazioni realistiche, in quanto le antenne “intelligenti” del 5G non saranno più caratterizzate da una emissione costante di potenza in tutte le direzioni, ma da una emissione “adattativa” in base al numero di utenze da servire, alla loro posizione ed al tipo di servizio (beamforming, fig. 2).

Al fine di superare tale criticità, garantendo comunque la salvaguardia della popolazione dai rischi che potrebbero derivare dall’eventuale indebita esposizione ai campi elettromagnetici generati dalle antenne attive, è preferibile far ricorso al “metodo statistico conservativo” per una valutazione previsionale più realistica (IEC, 2019).

Secondo questo metodo, la valutazione dell’emissione si basa su un modello statistico che prevede una valutazione della potenza effettivamente emessa nello spazio e nel tempo in grado di soddisfare il numero di utenti attivi nel periodo di osservazione considerato.

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Tabella 2 – Coefficienti di Riduzione della massima potenza, misurati in diverse tipologie di sito e con condizioni di traffico variabili (IEC, 2019).

In Tab. 2 sono riportati i possibili coefficienti di riduzione (da 0,17 a 0,31) da applicare alla potenza massima nominale configurabile all’antenna, ottenuti effettuando misurazioni in diverse tipologie di sito e con diverse condizioni di traffico, utilizzando la tecnologia LTE/TDD sulla quale sono basate tutte le valutazioni del documento Tecnico (IEC, 2019).

Nelle valutazioni previsionali, cautelativamente, ci si è posti nelle condizioni peggiori (ambiente urbano in condizioni di altissima densità di utenti e di traffico) ed è stato applicato il coefficiente moltiplicativo di riduzione della potenza pari a 0,3.

Tale approccio, riferito alla sperimentazione 5G, ha carattere di temporaneità e potrà essere modificato coerentemente con gli sviluppi della letteratura di settore.

IL 5G NELLA CITTÀ METROPOLITANA DI BARI

A partire da Luglio 2018 ad oggi sono state presentate ad ARPA Puglia 26 istanze per la sperimentazione 5G in diversi siti ubicati per la maggior parte nel territorio di Bari. Il Servizio Agenti Fisici del Dipartimento di Bari, dopo aver esaminato la documentazione tecnica allegata alle istanze, ha eseguito un’analisi previsionale del campo elettrico.

E’ stato utilizzato l’approccio statistico-conservativo precedentemente descritto, considerando dunque per il sistema 5G un fattore moltiplicativo pari a 0,3, da applicare alla potenza nominale massima configurabile all’antenna (valore fornito dai gestori nelle schede tecniche d’impianto).

La modellizzazione è stata effettuata utilizzando un software sviluppato internamente all’Agenzia, considerando anche il contributo degli altri gestori eventualmente presenti nel raggio di 100 m (se si tratta di stazioni radio base) o di 200 m (se sono presenti anche impianti RTV) dal sito in esame. L’output del software consente di visualizzare tridimensionalmente l’isosuperficie a 6 V/m (valore di attenzione e obiettivo di qualità, D.P.C.M. 08/07/2003 e s.m.i.) e di sovrapporla alla mappa 2D del territorio in esame. In tal modo è possibile stabilire quali siano i siti a valenza radioprotezionistica per i quali è necessario valutare puntualmente il valore del campo elettrico, tenendo conto della differenza di quota tra il centro elettrico dell’antenna e il punto in esame.

In fig. 4 è mostrata l’isosuperficie (vista dall’alto e vista laterale) ottenuta da una modellizzazione effettuata per una SRB situata nel comune di Bari, in una zona urbana densamente popolata, senza il contributo 5G (sinistra) e con il contributo 5G per un solo settore (destra). E’ evidente che l’introduzione del contributo 5G modifica la forma e l’estensione

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dell’isosuperficie andando ad incrementare il numero dei siti a valenza radioprotezionistica da «investigare».

Figura 4 – Isosuperficie a 6V/m senza (sinistra) e con il contributo 5G (destra). Vista dall’alto e vista laterale.

L’approccio appena descritto è stato seguito per tutti i siti 5G esaminati e, sebbene si tratti di un approccio conservativo, ha consentito di accertare la conformità ai limiti di esposizione, i valori di attenzione e gli obiettivi di qualità stabiliti uniformemente a livello nazionale dal D.P.C.M. 08/07/2003 e s.m.i. in quasi tutti i casi.

CONCLUSIONI

L’esperienza di ARPA Puglia in questa prima fase della sperimentazione 5G ha evidenziato innanzitutto la necessità di convergere urgentemente verso norme tecniche specifiche per l’emergente tecnologia 5G, sia in ambito modellistico che di misura, per consentire alle ARPA/APPA di ottemperare ai propri compiti istituzionali, operando in maniera tecnicamente corretta, sempre a tutela della popolazione.

Il continuo sviluppo delle tecnologie di comunicazione ed in particolare l’avvento della tecnologia 5G porta all’attenzione il problema della cosiddetta “saturazione dello spazio elettromagnetico”. Lo “spazio elettromagnetico”, soprattutto nelle aree urbane, è prossimo alla saturazione e quindi spesso risulta difficile installare nuovi impianti (o implementare nuove tecnologie su quelli già esistenti), poiché potrebbero determinare il superamento dei limiti previsti dalla normativa italiana (l’Italia è uno dei Paesi europei con i limiti più restrittivi in questo settore). Infatti, le valutazioni sul rispetto dei limiti di campo elettromagnetico vengono effettuate dalle ARPA/APPA secondo le indicazioni del D. Lgs. 259/03, considerando, cautelativamente, la massima potenza di funzionamento dichiarata dal gestore di telefonia mobile. Quello che si osserva però, nella maggior parte dei casi, è che le potenze effettivamente erogate sono inferiori a quelle richieste dai gestori e successivamente autorizzate.

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L’opinione condivisa tra i tecnici di varie Agenzie è che le potenze dichiarate da parte dei gestori siano massimizzate al fine di “accaparrarsi” più spazio elettromagnetico possibile, in vista di un’eventuale futura implementazione di nuovi impianti.

Inoltre, il DM 02/12/2014 ha fornito le linee guida relative alla definizione delle modalità con le quali gli operatori possono fornire all'ISPRA e alle ARPA/APPA i dati di potenza degli impianti e alla definizione dei fattori di riduzione della potenza da applicare nelle stime previsionali, per tener conto della variabilità temporale dell'emissione degli impianti nell'arco delle 24 ore. Tuttavia, sulla base dell’esperienza di ARPA Puglia, il ricorso a tale opportunità da parte dei Gestori non è frequente.

Per quanto riguarda il 5G, la norma (IEC, 2019) prevede che il gestore debba registrare periodicamente i valori della distribuzione cumulativa della potenza e, in analogia a quanto previsto dal DM 02/12/2014 per il fattore di riduzione α24, che renda disponibili tali valori.

Pertanto è necessario che i gestori implementino un sistema di contatori della potenza trasmessa nell’arco delle 24 ore, in modo da consentire una valutazione più realistica della potenza effettivamente erogata.

In definitiva, si può concludere che risulta necessaria una corretta pianificazione ed un uso più consapevole dello spazio elettromagnetico per consentire ad eventuali nuovi operatori delle telecomunicazioni l’introduzione dei loro apparati e soprattutto per agevolare l’introduzione delle tecnologie innovative, come il 5G, in tutti gli Stati europei, inclusi quelli caratterizzati da limiti più restrittivi come l’Italia.

Bibliografia

(Baracca, 2018) – Baracca P. et al. “A statistical approach for RF Exposure compliance boundary assessment in Massive MIMO Systems", 2018, https://arxiv.org/abs/1801.08351v1

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radiocommunication base stations for the purpose of evaluating human exposure”, 2018, IEC 62232:2018

adottata tal quale dal CEI num. 106-37

(IEC, 2019) – IEC, “Case studies supporting IEC 62232”, 2019, IEC 62669:2019

(ITU, 2017) – ITU, "Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface (s)”, 2017, Report ITU-R M.2410-0 (11/2017)

(MISE, 2018) – MISE, “Piano nazionale di ripartizione delle frequenze tra 0 e 3.000 GHz.”, 2018, Dec. MISE 5/10/2018 (18A06719) (GU Serie Generale n.244 del 19-10-2018 - Suppl. Ordinario n. 49)

(Thors, 2017) – Thors B. et al., “Time-averaged realistic maximum power levels for the assessment of radio

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(TIM, 2017) – TIM, “5G Focal Paper TIM”, https://www.telecomitalia.com/tit/it/innovazione/la-rete-5G-in-italia/5G-la-tecnologia-del-futuro.html