CAPITOLO 3:

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CAPITOLO 3:

Simulazione del campo

elettromagnetico irradiato delle antenne dei sistemi

GSM e dell’UMTS

3.1 Premessa

I sistemi cellulari che realizzano le reti radiomobili applicano la tecnica del riutilizzo delle frequenze: una frequenza viene utilizzata più volte, in luoghi diversi sufficientemente lontani tra di loro. Questo è consentito da un principio di fondo, che consiste nel suddividere il territorio (l’area di servizio) in sottoaree, di dimensioni limitate, denominate celle (fig.1).

o Stazione radio Base

Fig.1- Area di servizio suddivisa in celle

Le celle utilizzate hanno forma regolare, teoricamente si possono pensare esagonali. In realtà la loro forma risulta essere irregolare a causa della non omogenea propagazione del segnale radio, dovuta principalmente alla presenza di ostacoli (si pensi, per esempio, alle mura degli edifici all’interno di una città).

Un insieme di celle a cui sono assegnati gruppi di frequenze disgiunti che coprono l’intera banda disponibile, costituisce un cluster (fig.2).

fig.2- Cluster, a destra, con k=7 e a sinistra con k=3

Ogni cella è servita da una SRB (Stazione Radio Base), la quale ha a disposizione un certo numero di canali attraverso i quali instaura una comunicazione con gli utenti presenti nella cella. La Stazione Radio Base prevede l’utilizzazione di due antenne per settore, una delle quali funziona da antenna trasmittente, mentre l’altra viene utilizzata per ricevere il segnale radio proveniente dall’utente mobile.

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esso, ma con la SRB della cella in cui si trova (fig.3). La Stazione Radio Base con cui A si mette in contatto si occupa di instaurare una comunicazione con la SRB della cella in cui si trova l’utente B.

Le caratteristiche radiative dell’antenna della SRB sono descritte in maniera completa dal diagramma di irradiazione dell’antenna stessa. Tale diagramma permette di individuare il fascio di direzione verso cui l’antenna irradia la parte preponderante della potenza d’ingresso. I parametri caratteristici del diagramma di irradiazione sono: direttività massima, angolo a metà potenza (Half Power - HP), il livello dei primi lobi laterali (Side Lobe Level – SLL), angolo tra i primi nulli, front-to-back ratio.

Nei sistemi cellulari, aumentando il numero delle celle che coprono una certa area (e quindi riducendo la loro dimensione), aumenta la capacità del sistema, cioè il numero di utenti gestibili contemporaneamente. Questo comporta, però, che la distanza di riuso delle frequenze diminuisce per cui aumenta l’interferenza cocanale ed il numero di handover che il sistema deve effettuare durante una conversazione.

Per ridurre l’interferenza e conservare intatta la distanza di riuso delle frequenze si potrebbe pensare di ridurre la potenza trasmessa, visto che il segnale deve percorrere distanze minori. Questa possibilità, però, trova un ostacolo nel fatto che bisogna sempre garantire una minima qualità del servizio. La riduzione della potenza da trasmettere in ciascuna cella non può andare oltre un minimo limite tollerabile. Quindi, si tratta di stabilire un compromesso tra le varie esigenze.

fig.4- Andamento della capacità e dei costi del sistema in funzione delle dimensioni delle celle

Fissata la banda B e le dimensioni del cluster (fig4):

• l’intensità dei campi radio cresce al diminuire delle dimensioni delle celle r; • Il numero di Stazioni Radio Base installate (costi) cresce al diminuire di r.

K

fig.5- Andamento della capacità e della qualità (SIR) del sistema in funzione del numero di frequenze all’interno del cluster

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3.2 Valori di campo elettromagnetico in area urbana per

installazioni tipiche di SRB

In questo paragrafo si vuole stimare il valore che può assumere il campo elettromagnetico di diverse tipologie di sito per la telefonia cellulare sulle zone circostanti il sito stesso.

Lo studio presentato è ripreso da un documento dal titolo: “L’esposizione ai campi elettromagnetici a radiofrequenza” (reperibile sul sito www.freefoundation.com).

Per la scelta dei punti in cui effettuare la stima del campo elettromagnetico si è immaginato di operare in un ambiente ideale costituito da palazzi con uguale altezza e distanziati l’uno dall’altro secondo uno schema che rispecchiasse il più possibile le situazioni delle città italiane. Considerare palazzi uguali tra loro in altezza non pregiudica l’analisi, in quanto consente di limitare la variabilità su uno dei parametri di sito, ovvero il tilt delle antenne. Esso assume valori più elevati nel caso di forte dislivello tra l’altezza dell’impianto radiante e quella degli edifici circostanti.

fig.6- Schematizzazione di due edifici su uno dei quali è presente un’ antenna

si è pensato di calcolare i valori di campo ad una quota di circa 2 metri dal calpestio dei solai circostanti gli impianti presi in considerazione, in modo da valutare il campo ad un’altezza paragonabile a quella dell’uomo (fig.6). Le antenne hanno il centro elettrico nello stesso punto e puntano nella stessa direzione. Il punto di emissione è posto a metà della lunghezza dell’antenna.

Al fine di minimizzare l’interferenza ed il consumo degli apparati, si utilizzano funzionalità di rete come DTX (Discontinuous Transmission) e Power Control. Questo è particolarmente vero nel caso del sistema UMTS, nel quale la risorsa condivisa dai vari utenti è strettamente legata alla potenza che questi e la stazione radio base emettono. Un utente, infatti, impegna tante più risorse del sistema quanto maggiore è la potenza che deve essere impiegata per le comunicazioni dell’utente stesso.

Nella tabella seguente vengono riassunti i risultati dell’analisi teorica effettuata. L’altezza della base dell’antenna h dalla quota del solaio è un parametro variabile. Il tilt complessivo è pari a 2 gradi, tale scelta corrisponde ad una situazione in cui il primo ostacolo, lungo la direzione di massimo guadagno delle antenne, si trovi ad una distanza che varia dai 100 ai 200 metri.

fig.7- Valori del campo elettrico [V m-1_]

L’avanzamento tecnologico (UMTS) ha permesso di ottenere valori di campo elettrico sempre più bassi a distanze inferiori (fig.7). Questo fenomeno dipende dal fatto che le antenne non irradiano ugualmente in tutte le direzioni, ed in particolare non sono progettate per irradiare eccessivamente al di sotto dell’antenna.

I valori del campo elettrico, riportati nella tabella, verranno confrontati con quelli ottenuti nella simulazione esposta nei paragrafi successivi.

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3.3 Descrizione del sistema d’antenne GSM

L’antenna della Stazione Radio Base, del sistema GSM, presa in considerazione per lo studio dell’irradiazione del campo elettromagnetico che si discute nei paragrafi successivi a questo, ha un angolo a metà potenza di 8o sul piano di elevazione e di 65o sul piano di azimuth.

Il livello dei primi lobi laterali è di circa 15,6 dBi sul piano di elevazione e di 23,2 dBi sul piano di azimuth. Il guadagno nella direzione di massima irradiazione è pari a 16 dB, cioè se confrontati con un dipolo a mezz’onda. Facendo un paragone con l’antenna isotropica per avere il valore da utilizzarsi nelle formule di campo lontano, il guadagno risulta essere pari a 18 dBi. Per ottenere dei valori realistici del campo irradiato, si è proceduto ad una sintesi delle antenne che fosse abbastanza semplice, ma allo stesso tempo accurata per evitare di sottostimare o sovrastimare i valori di campo irradiati. Il diagramma di irradiazione sul piano di elevazione è ottenuto considerando una schiera di 2× 6 dipoli a

λ /2 sul piano di massa. La spaziatura dei dipoli e la loro distanza dal piano di massa è scelta in maniera da avvicinare il più possibile il diagramma di irradiazione simulato a quello reale.

Vengono utilizzati opportuni fattori correttivi che tengono conto del piano di massa finito dell’antenna e della presenza di eventuali alette che modificano il diagramma rispetto al caso semplice della schiera di dipoli.

3.4 Descrizione del sistema d’antenne dell’UMTS

L’antenna della Stazione Radio Base del sistema UMTS presa in considerazione per lo studio dell’irradiazione del campo elettromagnetico che viene esposto nei paragrafi successivi è caratterizzata da particolari parametri. L’angolo a metà potenza è di:

• 7o _{sul piano di elevazione e 67}o _{sul piano di azimuth, nell’intervallo di frequenze}

compreso tra 1710 - 1880 MHz;

• 6,7o _{sul piano di elevazione e 65}o _{sul piano di azimuth, nell’intervallo di frequenza}

compreso tra 1850 - 1990 MHz;

• 6,5o _{sul piano di elevazione e 63}o _{sul piano di azimuth, nell’intervallo di frequenza}

compreso tra 1920 - 2170 MHz.

Il guadagno di massima irradiazione è pari a circa 2×18 dBi in tutte e tre bande di frequenza utilizzate nel sistema UMTS e la polarizzazione è ± 45o_.

Come per l’antenna del GSM, anche in questo caso, per ottenere dei valori realistici del campo irradiato si è proceduto ad una sintesi abbastanza semplificata, ma allo stesso tempo accurata. L’andamento del diagramma di irradiazione sul piano di elevazione si è ottenuto considerando una schiera di 2×6 dipoli a λ /2 su piano di massa. La spaziatura dei dipoli e la loro distanza dal piano di massa, anche in questo caso, è scelta in maniera da avvicinare il più possibile il diagramma di irradiazione simulato a quello reale.

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3.5 Scheda informativa dell’antenna GSM utilizzata nella

simulazione

3.6 Scheda informativa dell’antenna UMTS utilizzata nella

simulazione

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3.7 Calcolo della potenza irradiata dalla BTS (Base

Transceiver Station) del GSM

La potenza massima con la quale teoricamente si ipotizza sia alimentata l’antenna di una SRB, si ricava moltiplicando il numero di portanti per la massima potenza di ogni portante.

te por ti por entazione a N P

P _lim = _tan ∗ _tan

Nel caso del GSM, il canale di controllo BCCH (Broadcast Control CHannel) fornisce indicazioni sulla copertura radio di ogni cella; la portante a radiofrequenza associata viene irradiata sempre alla potenza massima specificata da un’opportuna classificazione. Le altre portanti vengono trasmesse con una variazione di potenza che dipende, oltre che dal traffico, dalle funzionalità di Controllo di Potenza e di DTX (Trasmissione Discontinua). La prima di queste ultime due funzionalità permette al sistema di calibrare i livelli di potenza da assegnare a ciascun canale di traffico entro un intervallo predefinito. Se l’utente mobile è vicino alla Stazione Radio il sistema porta la potenza del canale ai valori minimi, diversamente se si trova ai margini di copertura della cella, il sistema cerca di portare la potenza al valore massimo. Attraverso, invece, la Trasmissione Discontinua il sistema è in grado di capire quale dei due interlocutori della conversazione in corso sta parlando e attiva di conseguenza il canale di trasmissione quando l’utente è nella posizione di ascolto.

(

)

MAX PC DTX MAX BTS P N P P = + −1 α α dove:

N è in numero di portanti della cella;

PMAX è la massima potenza delle portanti della cella.;

α PC è il fattore cautelativo di variazione del Controllo di Potenza;

In realtà nel GSM ogni cella può essere organizzata secondo due diverse gerarchie di canali: i canali Overlay (OL) tipicamente sono dedicati agli utenti che si trovano nelle immediate vicinanze della SBR e che necessitano pertanto di una ridotta potenza trasmissiva; i canali Underlay (UL) contribuiscono alla copertura complessiva della cella. In questo caso l’equazione precedente può essere modificata come segue:

(

)

[

UL UP OL OL

]

PC DTX UL BTS P N P N P P = + −1 + α α dove:

NUL è il numero di portanti Underlay;

NOL è il numero di portanti Overlay;

PUL è la potenza massima delle portanti Underlay;

POL è la potenza massima delle portanti Overlay.

Per quanto riguarda la valutazione dei campi elettrico e magnetico si deve tener presente che il loro modulo è legato alla radice quadrata della potenza irradiata dall’antenna:

( ) (

UL

[

UL

)( )

UL OL

( )

OL

]

PC DTX BTS E N E N E E = 2 + −1 2 + 2α α

(

_UL

) (

[

_UL

)(

_UL

)

_OL

(

_OL

)

]

_{PC DTX} BTS H N H N H H ₌ 2 _{+ −1} 2 ₊ 2α α Ponendo : NUL = N; NOL = 0; α PC = 0; α DTX = 1; si ottiene:

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Facendo l’ipotesi che la tipologia di installazione usata permette di utilizzare l’approssimazione di campo lontano (tale approssimazione è applicabile a partire da una distanza di circa 24 metri), si può considerare indifferentemente il campo elettrico o il campo magnetico, essendo questi ultimi in corrispondenza biunivoca tra di loro. In queste condizioni, il valore efficace del campo elettrico a distanza r ed in direzione ϑ e φ, considerando un sistema di coordinate sferiche centrato sull’antenna, è:

E(r,ϑ ,φ) =

( )

, ₂ 4 r Pirr G

π

ξ

φ

ϑ

dove Pirr rappresenta la potenza irradiata complessivamente dall’antenna, ξ è

l’impedenza caratteristica del vuoto pari a 377Ω e G(ϑ_,φ) rappresenta il guadagno dell’antenna in direzione ϑe φ. Inoltre risulta

s irr tr irr N P

P = ∗

La potenza globale irradiata è pari alla potenza irradiata dal singolo trasmettitore Pirrs per il

3.8 Simulazione del campo elettrico irradiato dalle

antenne dei sistemi GSM e UMTS

Nello studio del campo elettrico irradiato dalle antenne del sistema UMTS vengono utilizzate le stesse formule usate per il GSM.

La simulazione è eseguita con una antenna posta su un pilone di 36 metri di altezza e in prossimità dell’antenna si sono presi tre punti di riferimento per valutare l’intensità del campo elettrico. L’analisi viene effettuata confrontando i valori del campo nei tre punti per ognuno dei due sistemi.

Vengono ignorati i contributi derivanti da altre sorgenti emissive presenti sul territorio, che costituiscono il cosiddetto fondo elettromagnetico.

Per entrambi i sistemi si assume che la potenza irradiata P sia pari a 8.32 watt e che _irr l’angolo di tilt sia pari a 0 °.

Il programma di simulazione utilizzato vale per ogni frequenza, pertanto, i parametri che differenziano le antenne dei due sistemi sono quelli relativi la polarizzazione (nel caso del sistema UMTS la polarizzazione è doppia), gli angoli a metà potenza e la Pirr.

Nelle figure 8 e 9 sono riportati i solidi di irradiazione del campo elettromagnetico irradiato dall’antenna del sistema GSM e del sistema UMTS .

Nelle figure 10 e 11sono rappresentati i diagrammi di irradiazione dell’antenna nel piano di azimuth; mentre, nelle figure 12 e 13 i diagrammi di irradiazione dell’antenna nel piano di elevazione dei sistemi GMS e UMTS.

Si verifica che il campo a 50 metri dall’antenna, è minore di 1 V/m, nel caso di un sito GSM (fig.14), mentre è pari a 1 V/m, nel caso di un sito UMTS (fig.15).

Nelle figure 16 e 17 viene raffigurato l’irradiazione del campo elettrico a 150 metri dall’antenna (GSM/UMTS)

Nella figura 18 è rappresentato il campo elettrico irradiato su un piano distante -1 metro da quello contenente il centro delle antenna GSM; nella figura 19 viene rappresentato questo

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Il risultato della simulazione eseguita per l’UMTS mostra invece che:

- il punto A si trova in una zona di intensità di campo elettrico compresa tra 1.5 e 3 V/m;

- il punto B è situato su una linea campo elettrico pari a 6 V/m;

- Il punto C si trova in una zona di campo elettrico compresa tra 1.5 e 3 V/m.

Nelle figure 20 e 21, viene rappresentata la distribuzione del campo elettrico su un piano distante -21 metri da quello che contiene il centro dell’antenna GSM, nel primo caso, dell’antenna UMTS, nel secondo.

Nella figura 20 si ha la seguente situazione:

- il punto A si trova in una regione di campo elettrico compresa tra 0.1 e 0.5 V/m;

- C e B sono situati su una linea di campo elettrico pari a 0,1 V/m; Dall’analisi svolta per il sistema UMTS si è ottenuto che:

- il punto A è in una zona di campo elettrico compresa tra 0.5 e 1 V/m; - il punto B è situato su una linea di campo elettrico pari a 0.5 V/m;

- il punto C è in zona in cui il campo elettrico assume un valore pari a 0.5 V/m.

Nelle figure 22 e 23, viene rappresentata la distribuzione del campo elettrico sul piano distante -28 metri da quello contenente il centro dell’antenna GSM, nel primo caso, dell’antenna UMTS, nel secondo. Nella figura 22 si ha la seguente situazione:

- il punto A è sulla linea di campo pari a 0,1 V/m; - il punto B è nella zona compresa 0.2 e 0.5; - C è situato sulla linea di campo pari a 0.1 V/m. Infine, nella figura 23 si ha che:

- A e C sono in una regione di campo elettrico compresa tra 0.1 e 0.2 V/m; - B si trova in una zona in cui il campo elettrico assume il valore 0.5 V/M.

Dai risultati delle simulazioni eseguite si deduce che, in alcuni casi, data l’intensità di campo elettrico rilevata presso i punti presi a riferimento, l’irradiazione del sistema GSM risulta minore di quella generata dal sistema UMTS.

Il confronto tra i due sistemi di comunicazione è stato fatto a parità di potenza irradiata, Pirr

è stata posta pari a 8.32 watt (valore tipico per il sistema GSM), è importante, però, ricordare che i sistemi UMTS sono caratterizzati da un minor valore di potenza irradiata.

In ogni cella di una rete UMTS viene trasmesso ininterrottamente un canale di controllo, indipendentemente dal traffico nella cella; grazie alla bassa capacità di trasmissione dati su questo canale e alla grande larghezza di banda, questo canale di controllo può essere esercitato con una potenza relativamente bassa. Normalmente la potenza irradiata equivalente di questo canale nelle macrocelle è inferiore a 1- 2 W ERP (Equivalent Radiation Power), un valore decisamente piccolo se confrontato con la potenza irradiata, in una macrocella, da un sistema GSM, che è dell’ordine di 10 W ERP (10 volte la potenza irradiata dall’antenna UMTS).

L’analisi delle caratteristiche radianti dell’antenna del sistema UMTS viene approfondita tramite ulteriori simulazioni nelle quali si assume che la potenza irradiata è pari a 0.8 W. Valgono le stesse ipotesi fatte nelle simulazioni precedenti.

Nella figura 24 è rappresentata la distribuzione del campo elettrico prodotto dal sito UMTS sul piano di elevazione. Il piano è quello passante per il centro dell’antenna.

Nella figura 25 è raffigurata la distribuzione del campo elettrico sul piano distante -1 metro da quello contenente il centro dell’antenna:

- i punti A e B sono in una regione di campo elettrico compresa tra 0.3 e 1.5 V/m;

- il punto C si trova su una linea di campo elettrico pari a 0.3 V/m.

Dalla distribuzione del campo elettrico sul paino distante -21 metri da quello contenente il centro dell’antenna (fig.26) si riscontra la seguente situazione:

- i tre punti A,B,C sono situati su una linea di campo elettrico pari a 0.1 V/m.

Nella figura 27 è rappresentata la distribuzione del campo elettrico sul piano distante -28 metri dal piano contenente il centro dell’antenna:

- i tre punti A,B,C sono situati su una linea di campo elettrico pari a 0.1 V/m.

Dai risultati ottenuti si deduce che, data l’intensità di campo elettrico rilevata presso i punti presi a riferimento, l’irradiazione del sistema UMTS risulta minore di quella generata dal sistema GSM nella simulazione precedente.

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fig.8- Solido di irradiazione del campo irradiato dall’antenna GSM.

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fig.12- Diagramma di irradiazione dell’antenna GSM sul piano di elevazione. L’angolo a metà potenza è pari a 8o.

fig.14- Distribuzione del campo elettrico prodotto dal sito GSM sul piano di elevazione. Il piano è quello passante per l’antenna.

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fig.16- Distribuzione del campo elettrico della fig.7 fino a 150 metri di distanza dall’antenna GSM.

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fig.20- Distribuzione del campo elettrico sul piano distante -21 metri dal centro dell’antenna GSM.

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fig.24- Distribuzione del campo elettrico prodotto dal sito UMTS sul piano di elevazione. Il piano è quello passante per l’antenna.