Capitolo 2

Capitolo 2

La prassi ARPAT nel controllo dell’emissione elettromagnetica: problematiche e possibili soluzioni

Come descritto nel capitolo precedente, la crescente diffusione della radiocomunicazione cellulare ha apportato una trasformazione del paesaggio urbano ed extraurbano per la presenza sempre maggiore di stazioni radio/base, chiamati anche Node-B, veri e propri centri di smistamento della comunicazione, di trasmissione e ricezione del segnale elettromagnetico, di gestione del traffico utenti.

Queste stazioni radio non sono altro che i nodi di una rete cellulare che negli ultimi anni ha visto la progettazione e la realizzazione degli impianti di terza generazione, che sono andati ad aggiungersi, proprio in senso strutturale, a quelli precedentemente innalzati durante lo sviluppo della seconda generazione, quella dei telefoni GSM.

Aumentando quindi l’emissione elettromagnetica che viene sprigionata nell’ambiente circostante, i controlli su di essa sono diventati sempre più frequenti e incisivi.

Prima di affrontare nel dettaglio i problemi “tecnici” degli strumenti che realizzano il controllo, occorre fare una breve panoramica sulle leggi vigenti e sulle direttive che indirizzano la politica di controllo e gestione di questi impianti.

2.1 Cosa dice la Legge sul problema dell’inquinamento elettromagnetico

Con la LR. 54/2001, emanata dal Consiglio Regionale Toscano, viene costituito un catasto regionale degli impianti di radiodiffusione presso l’ARPAT, nel quale devono essere censiti tutti gli impianti ad eccezione di quelli al di sotto dei 5 watt di potenza e comunque inferiori ai 100 watt EIRP.

Per quanto riguarda i livelli ammessi dei campi elettromagnetici non ionizzanti, operanti nella banda tra 100 Khz e 300 Ghz, il DPCM dell’8 luglio 2003 fissa i limiti di esposizione e i valori di

attenzione per prevenire gli effetti a breve e lungo termine derivanti dall’esposizione elettromagnetica ai campi elettromagnetici compresi tra i 100 kHz e i 300 GHz.

Definisce inoltre gli obiettivi di qualità nell’ottica di una minimizzazione dell’esposizione e dell’individuazione di tecniche atte alla misurazione del livello di esposizione.

I limiti di esposizione sono fissati, per l’intervallo di frequenze in applicazione e in prossimità di edifici abitati dove si permane per periodi non inferiori alle quattro ore, in 6 V/m per il campo elettrico, in 0.016 A/m per quello magnetico, e di 0.1 W/m per la potenza, intesa come vettore di Poynting.

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Nello stesso decreto, vengono assegnate le competenze alle autorità regionali e provinciali, che sono: la disciplina dell’installazione e la modifica degli impianti di radiocomunicazione in garanzia del rispetto dei limiti, dei valori d’attenzione e degli obiettivi di qualità. Non ultime, sono assegnate le competenze di vigilanza e controllo sul rispetto dei valori limite ai Comuni, affidando alle Agenzie Regionali di Protezione dell’Ambiente lo svolgimento delle attività tecniche di accertamento.

Ogni Comune viene obbligato a vigilare sulla realizzazione e sul funzionamento a regime dell’impianto, avvalendosi della consulenza e del parere dell’Arpat. Nel caso in cui si accertasse il superamento del limite da parte dell’impianto, il Comune in questione deve iniziare una pratica sanzionatoria nei confronti del trasgressore ed ordinare il risanamento.

La legge del febbraio 2001 intende ridefinire il quadro globale della emissione elettromagnetica, proteggendo la salute dei lavoratori e dei cittadini dalle emissioni comprese tra gli 0 e i 300 Ghz. E’ lo stato stesso che definisce limiti, valori di attenzione e criteri di qualità.

Focalizzando ora l’attenzione sulle stazioni radio base, osserviamo che l’intervallo di potenza massima in uscita di questi impianti va da 30 a 500 watt a seconda delle configurazioni, con una potenza media molto più bassa della massima e soprattutto variabile a seconda del traffico. Questo avviene perché, nel caso in cui ci sia buona ricezione del segnale, la potenza sulla stazione viene abbassata automaticamente, evitando inutili interferenze con le stazioni vicine; viceversa esistono alcuni fattori, tra cui le riflessioni e le rifrazioni del segnale, che, intervenendo lungo il tragitto percorso dall’onda elettromagnetica, impongono un aumento della potenza in uscita dalla stazione radio-base con lo scopo di non disperdere il segnale e mantenere intatta la comunicazione.

2.2 Le strategie di ARPAT

La strategia di controllo delineata dalla normativa e condotta da ARPAT si può sintetizzare in alcuni capisaldi che possono essere così definiti:

- Il sistema dei controlli si prefigge che la rete cellulare sia a sicurezza intrinseca, cioè deve essere realizzata in maniera da rispettare i limiti anche nel caso di funzionamento a piena potenza, contemporaneo, di tutti gli impianti presenti nella zona stessa;

- il sistema di sicurezza è di tipo integrato, il controllo attraverso misure strumentali è solo un passaggio;

- l’attività di controllo deve essere ispirata dal principio del “chi inquina paga”, cioè i costi delle attività necessarie a garantire il rispetto dei limiti devono ricadere il più possibile sul gestore della telefonia;

- Arpat si limita a controllare il non superamento dei limiti attualmente in vigore, per le conseguenze sanitarie è previsto l’intervento delle ASL;

La prassi adottata dall’Agenzia ha come obiettivo quindi, il consolidamento delle garanzie per un’ emissione che stia al di sotto dei limiti prefissati dalla legge. Queste garanzie si ottiengono innanzitutto attraverso una corretta progettazione delle stazioni.

Il gestore dell’impianto è obbligato a fare una progettazione di dettaglio delle emissioni elettromagnetiche del proprio impianto e a descrivere l’impatto sugli edifici circostanti. Nella pratica, il gestore aggiunge una descrizione del possibile “fondo elettromagnetico” esistente nell’area e derivante dagli altri impianti.

Questo progetto è sottoposto all’esame di ARPAT, che da subito ne compie una verifica globale. Viene compiuta una verifica del calcolo del campo elettrico proposta dal gestore, alla luce di tutti i progetti di altri impianti che interessano la zona in questione e che l’Agenzia ha già approvato o sta esaminando.

La simulazione viene svolta mediante dei software specifici, in cui, lavorando su delle mappe tridimensionali del terreno e degli edifici si individuano i livelli di campo prodotti sulla superficie di tutti gli edifici evidenziando le eventuali zone a rischio.

In particolare:

• Si opta per una simulazione con massima potenza disponibile sulla stazione radio, cioè in una situazione di caso peggiore, quasi mai verificata nella realtà, in cui l’antenna trasmetta tutta la potenza di cui è a disposizione, nell’area circostante;

• si prosegue con una stima dell’andamento del campo elettrico in presenza di altri impianti vicini. Per semplicità si trascurano gli effetti degli edifici sulla propagazione, come schermature e riflessioni, disponendo comunque di una rappresentazione digitale delle altezze degli edifici che sorgono nell’area dedicata all’emissione.

A questo punto si ottengono delle tavole grafiche dove si evidenziano le intersezioni tra i fasci elettromagnetici e gli edifici che circondano la stazione radio base.

Se sulla base del progetto il campo atteso risulta superiore alla metà del valore limite, e quindi ad un quarto della potenza massima, viene prescritto il collaudo: un professionista viene chiamato dal gestore dell’impianto a compiere delle misurazioni in loco, nei punti cosiddetti critici. La misura viene effettuata in modo da poter estrapolare i valori che si ottengono con l’antenna alla massima potenza. Arpat può presenziare a questo collaudo e alla fine della misurazione ne verifica il rapporto.

Rispetto al progetto iniziale definito dal gestore della telefonia, l’impianto potrebbe presentare delle difformità al momento della realizzazione, dovute al posizionamento fisico della stazione radio-base piuttosto che ad un cambio di orientazione delle antenne, e di conseguenza della direzione del fascio di emissione dell’onda.

Per evitare questi casi, e naturalmente in tutti i casi in cui ci si attendono dei livelli alti di campo, si svolgono le misurazioni attraverso la strumentazione di controllo. Dal 2004 l’ARPAT si è dotata anche di centraline mobili per la misura in banda larga di questi siti elettromagnetici, centraline prese in dotazione dalla Fondazione Ugo Bordoni, FUB, e utilizzate per una misura continuativa nel tempo (normalmente queste centraline rimangono in loco per un periodo variabile tra le due e le tre settimane).

Generalmente, le antenne apposte sulla stazione radio-base trasmettono ad una potenza ridotta: questo implica una procedura di memorizzazione della massima potenza irradiabile da ciascun

trasmettitore nelle condizioni di progetto, successivamente le centraline vanno a misurare l’emissione in condizioni di traffico ordinario e senza avvertire il gestore.

2.3 Modalità tecniche del controllo

La legge non è esauriente rispetto alle modalità tecniche con cui deve essere svolto il controllo e rinvia per questo esplicitamente a “norme di buona tecnica”. L’attività di un organismo come ARPAT è pertanto fortemente dipendente dalla disponibilità di norme tecniche chiare ed efficaci del tipo di quelle che provengono dal CEI, Comitato Elettrotecnico Italiano.

Un esempio, a noi vicino nella trattazione dell’argomento , è proprio quello che riguarda il controllo sugli impianti di terza generazione.

La norma CEI 211.10, normativa italiana che legifera sull’esposizione umana ai campi elettromagnetici e dà disposizioni per la misura degli stessi campi, è stata aggiornata con l’aggiunta dell’appendice H, “ Metodologie di misura per segnali UMTS”.

L’appendice si è rivelata necessaria per le caratteristiche intrinseche del nuovo standard di comunicazione di terza generazione. Trattandosi infatti, di uno standard ad accesso multiplo di codice, non sono ad esso applicabili le tecniche di estrapolazione della potenza massima dell’impianto sulla base della potenza della BCCH. Nell’appendice, alla tradizionale misurazione di campo ottenuta tramite analizzatore di spettro in frequenza, si è affiancata la tecnica che sfrutta gli analizzatori di spettro vettoriali, che riescono a discriminare i vari contributi di emissione a seconda del codice settato dall’operatore, in particolare, come abbiamo già visto, dell’emissione derivante dal canale pilota CPICH.

L’analisi tramite analizzatore vettoriale permette infatti, di quantificare e visualizzare i decibel raggiunti dal campo elettrico e relativi al canale pilota, svincolandosi dalla conoscenza del traffico reale d’utenza: questa strategia, sarà spiegata meglio nel seguito della trattazione.

Importante, però, è una spiegazione: questo strumento non appare ad oggi, come il necessario e obbligatorio “passaggio” per arrivare alla misurazione più corretta possibile: gli organismi di controllo pubblici e privati non ne fanno tendenzialmente uso, sia per motivi economici legati al prezzo di questi apparati, sia per l’attuale mancanza di una prassi consolidata, mancando riscontri pratici che indirizzino gli operatori verso metodologie di utilizzo efficaci e riproducibili nel tempo.

L’altra proposta del CEI, riguarda la misurazione classica dell’emissione per mezzo di analizzatori di spettro in frequenza, per l’utilizzo dei quali vengono consigliate delle operazioni preliminari: Se il rapporto tra il livello di campo totale presente nell’ambiente e quello del segnale da misurare è confrontabile con la dinamica dello strumento, si consiglia di effettuare un prefiltraggio del segnale in ingresso o di utilizzare strumenti ad alta dinamica. Si può quindi prefiltrare all’ingresso dell’analizzatore oppure usare un ricevitore selettivo sulla banda del segnale UMTS.

Con la modalità “Zero Span”, in dotazione a questi analizzatori, si possono utilizzare dei filtri IF numerici e rettangolari con banda pari a quella UMTS, procedendo nella misurazione sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. In alternativa, con la modalità “Channel Power”, lo strumento integra su tutta la banda del canale radio ( sempre 5 Mhz), procedendo al calcolo della potenza di canale solo nel dominio della frequenza. In questo modalità, lo strumento effettua un’integrazione di questo tipo:

CP = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∗

∑

CP è la potenza misurata sul canale in unità logaritmiche; Bs è la banda di integrazione di 5 MHz;

NBW è la banda equivalente di rumore riferita al filtro IF utilizzato; N, numero di pixel presenti nella banda di integrazione;

Pi è la potenza associata ad ogni pixel di integrazione, misurata in logaritmi; αi è un parametro di correzione espresso in dB e che tiene conto delle differenti pesature subite da ogni pixel a causa dei filtri numerici utilizzati

durante la misura.

Nel caso infatti, dell’utilizzo di un filtro a coseno rialzato, RRC filter, gli N parametri tengono conto del fatto che ogni pixel di integrazione deve essere pesato con l’attenuazione introdotta proprio dal filtro RRC, rispetto alla frequenza di centro banda del canale. Nel caso in cui lo strumento non disponga di questa implementazione, tutti i parametri correttivi α sono assunti nulli.

In definitiva per effettuare misure in “channel power” l’analizzatore dovrà essere impostato opportunamente con i seguenti parametri (1):

RBW 100-300 kHz VBW ≥ 3 ∗ RBW Center freq. N MHz Freq. Span 5 MHz

Sweep time 100-200 ms (a seconda dell’impostazione in automatico dello strumento) Channel Spacing 5 MHz

Channel Bandwidth 5 Mhz

Nel caso in cui una SRB trasmetta su più frequenze, due o tre a seconda dell’operatore e a seconda delle condizioni di traffico da gestire, la misura CP viene applicata ad ogni singola portante e alla fine il contributo sarà dato dalla somma dei contributi singoli:

∑

dove n è il numero di portanti UMTS utilizzate dall’operatore e associate alla SRB in esame mentre Ei rappresenta il contributo dovuto alla singola portante e misurato come descritto precedentemente.

2.4 Tecniche di estrapolazione esposte all’interno dell’appendice H e proposte dal CEI

Con l’estrapolazione siamo davanti ad una modalità di calcolo del campo finalizzata a svincolare la misura dalla reale situazione di carico della rete, infatti si procede ad una verifica in cui sia possibile calcolare il campo in un dato punto ipotizzando il caso peggiore di emissione da parte della SRB. Questo valore ottenuto non rappresenta il dato misurato, bensì una stima del campo.

Tali tecniche sono basate sulla conoscenza della potenza trasmessa e di un parametro ρ indicante la percentuale della potenza totale dedicata al canale di controllo.

2.4.1 Estrapolazione ottenuta mediante analizzatore di segnali vettoriali

Come abbiamo detto in precedenza, con questa tecnica si misura la potenza associata al solo canale pilota, il CPICH appunto. In questo modo, conoscendo ρ, si ha una stima del campo nelle condizioni di maggior traffico.

Se ρ rappresenta il rapporto tra la potenza del CPICH e quella massima trasmissibile, avremo

CA pil mis umts E E ρ _ =

dove al numeratore abbiamo il campo E misurato, relativo al solo canale CPICH, e come risultato abbiamo il campo estrapolato.

Il parametro di rete ρ_CA, indicato nell’appendice come parametro legato alle misurazioni con analizzatore vettoriale, è variabile e compatibile con le progressive ottimizzazioni della rete e può essere comunicato dall’operatore anche in una seconda fase rispetto alle prime misure. Questo è stato un problema centrale per gli organismi che si occupano del monitoraggio, in quanto il gestore potrebbe comunicare un parametro non conforme alla realtà, nel tentativo di rendere la misura adeguata alle leggi attuali.

In particolare il parametro ρCA dipende dalle dimensioni della cella e dal traffico che tale cella deve gestire, per questo motivo non potrà assumere valori troppo elevati in grado di generare interferenza sulle celle limitrofe, e al contempo non potrà raggiungere valori troppo bassi che non permettano al terminale mobile di attivare le procedure atte alla connessione alla rete. Da un punto di vista empirico, sull’esperienza maturata dalle aziende produttrici di SRB un valore indicativo potrebbe stazionare attorno al 10 %.

Poiché celle adiacenti trasmettono nella stessa banda di frequenza sarà comunque necessario separare i contributi delle diverse celle sulla base del valore di scrambling oppure scegliere, sulla base delle simulazioni teoriche, un punto di misura dove il segnale dominante sulla banda di frequenze sotto misura, sia quello della SRB sotto indagine. In questo modo, il livello di segnale raccolto sarà nettamente maggiore rispetto a quello proveniente da altre SRB e lo strumento misurerà il segnale voluto.

Da un punto di vista operativo, come già spiegato nel capitolo precedente, lo scrambling identifica la cella mentre il codice OVSF riguarda un certo canale di essa.

Come esempio, il CPICH ha sempre l’OVSF ortogonale uguale a zero, mentre il P-CCPCH contiene un OVSF uguale ad uno. Questo implica che impostando la corretta frequenza di lavoro, l’OVSF=0 e il codice di scrambling appartenente alla cella in esame, come risultato avremo la potenza associata proprio al canale CPICH e da qui determineremo Emis.

Da aggiungere, che tramite analizzatore di spettro vettoriale si può calcolare il livello di copertura del generico segnale UMTS, in quanto lo strumento misura automaticamente la potenza sul CPICH per tutte le celle circostanti, da qui possiamo arrivare all’Eumts.

2.4.2 Estrapolazione ottenuta mediante misura con analizzatore di spettro

In questo caso è necessario accertarsi che la misura avvenga in un punto in cui il segnale dominante sia quello proveniente dalla SRB sotto esame ( in rapporto 1 a 10 rispetto alle SRB non oggetto di indagine), e che ci si trovi in un intervallo temporale in cui siano in attività i soli canali di controllo. In pratica, la misura dovrebbe essere compiuta in condizione di minor traffico telefonico, magari concordandolo con l’operatore.

Il parametro ρSA, indicato in appendice come fattore legato alla misura con analizzatore di spettro in frequenza, che rappresenta la percentuale di potenza dedicata a tutti i canali di controllo rispetto a quella erogabile massima, anche in questo caso deve essere conosciuto: come per il precedente parametro, il CENELEC sta stabilendo delle linee guida (ancora non pubblicate), per una sua misurazione più precisa.

A questo punto, attraverso l’equazione

SA CP mis UMTS E E ρ _ =

dove al numeratore abbiamo il campo elettrico misurato sull’intera banda con la modalità CP, si giunge alla misura ottenuta in condizione di massima potenza erogabile dalla cella.

Ricordiamo infine che tale valore tiene conto dei contributi da celle vicine che trasmettono sulla medesima frequenza, da settori appartenenti allo stesso sito che anch’essi trasmettono sulla stessa portante, nonché da tutto il traffico presente in quel momento sulla rete. Questa è una caratteristica dipendente dalla scelta del gestore di coprire un’area intera utilizzando sempre la stessa banda di

frequenze. Esso rappresenta inoltre un limite superiore per la potenza emettibile dalla SRB, eventualmente raggiungibile solo in caso di saturazione della SRB. Questo è un evento altamente improbabile, in quanto la rete provvede automaticamente, attraverso algoritmi specifici, a gestire il traffico in maniera da evitare condizioni limite, ovvero di cella saturata in termini di massima potenza erogabile: si pensi ad esempio alla possibilità di rifiutare alcune chiamate entranti al fine di mantenere una corretta connessione alla rete da parte dell’utente.

Nell’attività di controllo ARPAT si trova a far fronte a due esigenze principali: da una parte evidenziare i valori totali di campo determinati sai contributi dei diversi gestori di telefonia, e contemporaneamente individuare, in ogni misurazione, il contributo specifico della SRB in esame riconoscendo l’emissione di quella particolare stazione come non “inquinata” da altre emissioni interferenti per confrontarlo con i livelli attesi sulla base del progetto.

Nel caso GSM, la presenza, come visto nel primo capitolo, del canale BCCH, permetteva di riconoscere i vari contributi separati. Nel caso UMTS, mancando questo canale di controllo, il CEI ha proposto di arrivare alla soluzione per mezzo della conoscenza del parametro ρ e della potenza sul canale CPICH.

La conoscenza di entrambi questi elementi è problematica per l’organismo di controllo.

Per quanto riguarda la frazione di potenza assegnata ai canali di controllo esistono delle stime di valori tipici da parte di organismi come il Cenelec ma in realtà il valore effettivo è definito da scelte del gestore: il carico della rete infatti, è una caratteristica che può mutare a seconda del servizio offerto e della situazione di traffico reale; normalmente questa frazione di potenza assegnata ai canali di controllo viene variata dal gestore stesso secondo le esigenze di copertura del traffico. ARPAT nella sua pratica ha effettivamente riscontrato valori del parametro (diffusi dal gestore), diversi tra loro e discordanti con quelli “tipici” menzionati dalle norme CEI. La conoscenza di tale parametro dipende quindi da informazioni ricevute dal gestore stesso che è soggetto al controllo. Si stanno ancora studiando le strategie che consentano di ottenere tali informazioni senza pregiudicare l’attendibilità degli accertamenti.

In questa tesi si è concentrato l’attenzione sull’altro problema, la ricerca dei livelli di potenza associati al canale di controllo.

La direttiva CEI propone ovviamente una determinazione di questa potenza svolgendo misure nelle condizioni di traffico minimo, in quanto sperimentalmente si riscontrano degli intervalli di tempo

durante l’arco delle 24 ore dove il traffico telefonico si attesta su valori minimi, tipicamente di notte.

In questi casi è presumibile che una buona parte della potenza misurata nell’area della SRB provenga dal solo canale di controllo.

D’altra parte è evidentemente complicato, per un organismo di controllo, stabilire i momenti esatti di traffico nullo o tendente allo zero, non potendo disporre delle informazioni che risiedono direttamente nella memoria della SRB stessa, che è al corrente del numero di telefonate smistate dal node-B.

Ancora una volta, ci si troverebbe nel paradosso in cui informazioni necessarie al calcolo di potenze o frazioni di potenze, provengano dal soggetto sottoposto al controllo.

La possibile soluzione a questa serie di problemi, che si basa sul monitoraggio dei minimi di campo elettrico riscontrati nelle fasce orarie di minor traffico e sulla distribuzione statistica dei livelli di campo, verrà esplicitata nel prossimo capitolo, dove verranno mostrate anche le misurazioni effettuate e le conclusioni a cui si è arrivati.

Bibliografia

[1] NORMA CEI 211_10 “ Guida alla realizzazione di una Stazione Radio Base per rispettare i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici in alta frequenza”, CEI, in ambito di validità nazionale, sottoposto a inchiesta pubblica come progetto C.868. Integrazione con Appendice H, “ Metodologie di misura per segnali UMTS ”