a
A cura di
Doriana Guiducci
I
Esposizione personale e
uso del cellulare
Campi elettromagnetici
Le norme e la scienza
due interessanti lavori
che vengono pubblicati in questo numero di Media Duemila,
studiando l’esposizione umana a telefoni cellulari in diverse condizioni di utilizzo,
si aggiungono alla grande quantità di studi e sperimentazioni che sono ancora a
ttivi
nel settore “esposizione ai campi elettromagnetici”. Grazie al continuo aumento delle
capacità di calcolo è ormai possibile esplorare nel microcosmo delle cellule l’effetto di
radiazione elettromagnetica alle varie frequenze e arrivare a risposte quasi definitive,
almeno per quanto riguarda le interazioni elementari, e quindi costruire, a partire da questi
mattoni di base, una conoscenza degli effetti a livelli più elevati, senza la necessità di
sperimentazioni, ma con la facilità e ripetibilità delle simulazioni al calcolatore.
I progressi sono dunque continui e, nonostante la riduzione dei fondi per questo tipo di
ricerche, i risultati sono notevoli anche grazie all’utilizzo delle tecniche epidemiologiche,
la cui potenza, con l’aumentare dei tempi di osservazione, è cresciuta di molto.
Nel nostro Paese la normativa ha i suoi fondamenti in un decreto, il 381, del 1998. Tutti i
successivi interventi hanno dato veste concreta ed attuazione alla filosofia colà impostata,
Settembre 2014
poiché non è mai parsa matura una discussione sulle questioni di base. Purtroppo tale
impostazione non soltanto non è coerente con quanto suggerito dalla ICNIRP e fatto
proprio dalla Unione Europea, il che di per sé potrebbe avere una giustificazione, ma,
ignorando i limiti di base e facendo riferimento solo a grandezze ambientali, ha di fatto
distaccato queste ultime da una possibilità di revisione, in un senso o nell’altro, con
Supplemento al numero 301 di
l’aumentare delle conoscenze scientifiche. Inoltre questa impostazione ha escluso da
queste norme i “telefonini”, per cui le grandezze di riferimento non hanno senso fisico,
lasciando dunque tutto questo settore commerciale privo di un aggancio ad una normativa
nazionale, che si limita ad occuparsi dell’ambiente.
Settembre 2014
14
Supplemento al numero 301 di
introduzione
A
Recentemente è stata anche tentata una rivisitazione delle modalità attraverso le quali
vanno interpretati e misurati questi limiti, introducendo certamente varianti dettate
da un certo tipo di logica, ma, poiché manca una giustificazione a monte dell’origine
scientifica dei numeri riportati nei decreti, anche questa operazione si appoggia su un
terreno poco solido.
C’è dunque da domandarsi se non sia giunto il momento di riportare le leggi
del settore all’interno di un quadro più razionale, che consenta sia di colmare
le lacune già messe in evidenza, sia di aprire la strada ad aggiornamenti
razionali man mano che le conoscenze scientifiche progrediscono. Ciò ci
riaggancerebbe all’Europa, ma soprattutto alla metodologia scientifica.
Non suoni questa semplicemente come una critica verso chi a suo tempo
emanò le prime leggi anche se devo ricordare che già allora la comunità scientifica
si mostrò contraria a questo approccio e chi scrive in particolare. Ci si rende
benissimo conto che in quei tempi, in assenza di una legge, si doveva comunque
trovare un consenso che fu più politico che razionale e che si stimò che il meglio
sarebbe stato nemico del buono: la normativa ha di fatto consentito al Paese di
sviluppare la telefonia cellulare mettendoci su questo ai primi posti al mondo,
e ha aperto la strada anche a una razionalizzazione del settore della diffusione
radiotelevisiva.
Ora però a distanza di più di quindici anni, con l’uso dei terminali wireless
molto orientato ai dati, come con gli smartphone e i tablet, che ha modificato
profondamente le modalità di esposizione assieme alla richiesta di capacità,
con una integrazione europea più avanzata, che imporrebbe ugual trattamento
scientifico a seguito della quale inizialmente si potrebbe riportare la legge
all’interno della scienza e poi, con i tempi debiti, revisionare limiti, modalità di
misura ecc.
Si potrebbe dire che il Paese ora ha altre priorità, ma continuando con questo discorso
e rinunciando a tante iniziative, si rinuncia a contribuire alla soluzione di tante questioni
che tutte assieme possono portare benefici e aiutare anche l’economia.
Gabriele Falciasecca
Università di Bologna
Supplemento al numero 301 di
considerazione l’argomento, avviando rapidamente una operazione di assessment
Settembre 2014
in tutti i paesi della UE per cittadini e imprese, la politica potrebbe riprendere in
15
a
Nei numeri precedenti
Qualità e Internet mobile. Le verità nascoste? | 1
Marzo 2011
Qualità e Internet mobile. Le verità nascoste? | 2
Aprile / Maggio 2011
La sostenibilità energetica non può fare a meno dell’ICT
Giugno 2011
Registro Pubblico delle Opposizioni: un’opportunità per i cittadini e le imprese
Luglio / Agosto / Settembre 2011
L’opt-out nel telemarketing è sempre più realtà: dal telefono alla posta, con uno sguardo verso Internet
Ottobre 2011
PANDORA: l’ICT per il Crisis Management Dicembre / Gennaio 2012
Una nuova generazione di sportelli automatici accessibili e usabili da tutti
Febbraio 2012
Campi Elettromagnetici | 1
Marzo 2012
Campi Elettromagnetici | 2
Aprile / Maggio 2012
misurainternet.it Qualità dell’accesso ad Internet da postazione fissa Giugno 2012
Qualità del servizio dati in mobilità: alla partenza la prima esperienza regolamentare
Luglio / Agosto / Settembre 2012
Loudness: questa pubblicità è “troppo forte!”
Ottobre 2012
Open Government Data: una roadmap tecnica
Dicembre / Gennaio 2013
Un social network a misura della terzà età
TV, un futuro già presente | 1
Maggio 2013
TV, un futuro già presente | 2
Luglio 2013
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Smart Community: l’evoluzione sociale della Smart City
Verso una gestione unitaria dell’identità digitale
Settembre 2013
Ottore 2013
Elottromagnetismo coscienza collettiva regole e necessità
Dicembre / Gennaio 2014
Terminali pubblici accessibili per una società più inclusiva
Marzo / Aprile 2014
AGCOM - FIEG - FUB progetto informatico antipirateria. Diritti d’autore online
FUB: ricerca ed innovazione al servizio del Paese
IL QUADERNO DI TELÈMA È STATO REALIZZATO DALLA FONDAZIONE UGO BORDONI
Presidente: Alessandro Luciano | Direttore delle Ricerche: Mario Frullone
Curatore del Quaderno: Doriana Guiducci
16
Marzo / Aprile 2013
Maggio 2014
Giugno/Luglio 2014
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Valutazione dell’esposizione a telefoni cellulari
nelle diverse modalità di utilizzo
di G. d’Amore, L. Anglesio, A. Benedetto, E. Caputo, M. Mantovan, M. Polesel
|
ARPA Piemonte
Introduzione
I campi elettromagnetici a radiofrequenza sono stati recentemente classificati quali “possibili cancerogeni” (classe IIB) dall’Associazione Internazionale per la Ricerca sul Cancro dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, IARC (International Association for Reasearch on Cancer) [1]. Tale classificazione si
riferisce, in particolare, a limitate evidenze di cancerogenicità dell’esposizione a telefoni mobili. Anche
se tali evidenze sono limitate e non conclusive, in quanto non permettono di escludere la presenza di
fattori casuali che inficino l’attendibilità di un’associazione tra esposizione e induzione di tumori, esse
pongono l’attenzione sulla necessità di una valutazione accurata delle reali esposizioni alla radiazione
elettromagnetica subite nell’utilizzo del telefonino.
La maggior parte degli studi epidemiologici che hanno indagato tale fattore di rischio hanno effettuato
la valutazione dell’esposizione a telefoni cellulari in modo indiretto, per mezzo di questionari predisposti
per rilevare i tempi di utilizzo del telefono dei soggetti appartenenti ai gruppi di popolazione oggetto
dello studio. In alcuni casi, sono stati utilizzati specifici applicativi in grado di rilevare via software la
potenza emessa dal terminale mobile, al fine di valutare, tramite questo parametro, le diverse modalità
di esposizione [2,3].
In questo lavoro, viene illustrato un metodo sperimentale per misurare la potenza emessa dal telefono cellulare e valutarne la variabilità in diverse condizioni di ricezione del segnale e di utilizzo della
rete. Vengono inoltre riportati i risultati ottenuti nel corso di una prima indagine, che ha consentito di
quantificare l’aumento o la diminuzione dell’esposizione in funzione di fattori ambientali e tecnologici, al
fine di poter attuare adeguate strategie per limitarla nelle normali condizioni di utilizzo.
Supplemento al numero 301 di
La potenza irradiata dalle stazioni radio base per telefonia mobile e dagli apparecchi mobili (telefoni
cellulari) varia a seguito di alcune specifiche modalità di funzionamento di questa tecnologia: il controllo
di potenza PC (Power Control) e la trasmissione discontinua DTX (Discontinuos Transmission).
La funzionalità PC consente di calibrare i livelli di potenza da e a ciascun canale di traffico entro
un intervallo predefinito: il sistema regolerà una potenza del canale minima per utenti mobili vicini alla
stazione radio e una potenza massima per utenti posti ai margini della cella. Analogamente, sulla base
di questa funzionalità, aumenterà la potenza del segnale trasmesso dal telefonino in presenza di più
bassi livelli del segnale ricevuto e diminuirà in presenza di livelli maggiori di segnale.
Tramite la funzionalità DTX, il sistema è in grado di riconoscere quale dei due interlocutori della
conversazione in corso sta parlando ad ogni istante di tempo e attiverà, pertanto, il canale di trasmissione solo negli istanti in cui l’utente, che è raggiunto dalla stazione radio, è nella posizione di ascolto.
Il telefonino trasmetterà, pertanto, il segnale solo nel momento in cui si parla e non quando si ascolta.
Da valutazioni empiriche è risultato che le due modalità di funzionamento PC e DTX conducono,
ciascuna, ad una riduzione media del 30% della potenza massima delle portanti di traffico PMAX.
Se consideriamo una cella GSM con N portanti, una delle quali è sempre attiva alla massima
potenza perché gestisce il canale di controllo BCCH (Broadcast Control Channel) che diffonde
informazioni di sistema sulla cella, la potenza irradiata potrà essere data dalla seguente relazione,
Settembre 2014
Modalità di emissione di radiazione da telefoni cellulari
17
a
dove con α PC e a DTX si sono indicati i fattori di riduzione di potenza per le modalità PC e DTX,
pari entrambi a 0.7 [4]:
PSRB = PMAX + (N – 1) PMAXaPCaDTX = PMAX + (N – 1)PMAX 0.49
(1)
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Per comprendere in quali condizioni la funzionalità PC possa dare luogo a maggiori o minori livelli
di esposizione al cellulare evidenziamo le condizioni ambientali che determinano le situazioni di buona
o scarsa ricezione.
Al fine di evitare inutili dispersioni di energia e limitare le interferenze, gli impianti per telecomunicazione
quali le stazioni radio base per telefonia mobile sono progettati per ottenere una copertura mirata di una
parte del territorio. Per chiarire come tale aspetto influisca sull’esposizione, si può paragonare la radiazione emessa dall’antenna con il fascio di luce emesso da un faro che illumina una parte del territorio
propagandosi all’interno di un cono, con perdita graduale d’intensità lungo la direzione di irraggiamento:
il livello del campo elettromagnetico nella zona “illuminata” dal fascio sarà maggiore di quello nella zona
posta in “ombra”. L’intensità dell’esposizione al campo elettromagnetico in prossimità di un impianto
per telecomunicazione non è, pertanto, determinata solo dalla distanza dall’impianto e dalla potenza a
radiofrequenza con cui esso viene alimentato, ma anche dalla sua altezza da terra, e dall’inclinazione
verso il basso del fascio di radiazione (denominato tecnicamente tilt) e dalle sue modalità di irraggiamento (diagramma di radiazione). Quest’ultima caratteristica, che abbiamo associato al termine tecnico
“diagramma di radiazione”, è strettamente correlata alla direttività del fascio di radiazione ovvero alla
sua ampiezza: in funzione del tipo di antenna utilizzata si possono infatti ottenere, a parità di potenza a
radiofrequenza al connettore dell’antenna, fasci stretti e molto direttivi o più ampi in modo da distribuire
la radiazione elettromagnetica in diverse direzioni.
A titolo esemplificativo, in figura 1 si riporta un caso nel quale l’abitazione più lontana dall’impianto
per telecomunicazione (abitazione A) è quella dove si rileveranno i livelli maggiori delle sue emissioni
elettromagnetiche. Ciò è dovuto al fatto che l’abitazione A è nella direzione di puntamento, o di massimo
irraggiamento, dell’antenna, mentre l’abitazione B, si trova in una zona d’ombra, con un irraggiamento di
gran lunga inferiore e l’abitazione C non è esposta al campo elettromagnetico perché posta in un’area
dove non si ha alcuna irradiazione da parte dell’antenna (l’antenna non emette radiazione elettromagnetica nella sua parte posteriore).
Figura 1. Modalità di esposizione a diverse distanze in prossimità di un impianto per telecomunicazione.
18
Esposizione personale e uso del cellulare
Un ulteriore elemento che influenza in modo rilevante l’esposizione della popolazione alle radiazioni a
radiofrequenza è la schermatura di tali radiazioni dovuta ai materiali che costituiscono gli edifici: solo una
parte della radiazione elettromagnetica presente nell’ambiente esterno potrà penetrare all’interno degli
edifici e dare luogo ad un’esposizione dei residenti. La riduzione dei livelli di campo elettromagnetico
causata dalla schermatura offerta dagli edifici dipende dal tipo di materiale da costruzione utilizzato e, da
dati di letteratura, può variare da un fattore 1.5 a un fattore 10 [5]. Ciò significa che livelli di esposizione
anche relativamente elevati in ambiente esterno si possono tradurre in livelli non significativi all’interno
delle abitazioni. [6]
Misura della potenza trasmessa
Per misurare la potenza emessa dal telefonino nelle diverse condizioni di prova è stato messo a punto
un set up sperimentale costituito dalla catena strumentale rappresentata in figura 2:
Antenna esterna
Personal Computer
Attenuatore
Microfono
Misuratore di potenza
Telefono
Cellulare
Come si vede dallo schema della figura, non potendo effettuare misure di potenza al connettore
dell’antenna interna del telefonino, la misura della potenza P OUT ha richiesto l’utilizzo di un’antenna
esterna connessa al telefonino tramite un apposito cavo di collegamento. Siccome tale antenna esterna
modifica le condizioni di ricezione e di trasmissione del telefonino, sono state effettuate delle prove di
laboratorio per caratterizzare il sistema costituito dall’antenna esterna connessa al telefonino e ricondurlo
alle caratteristiche del telefonino con la sua antenna interna. Il set up sperimentale deve infatti riprodurre,
con la massima accuratezza possibile, le condizioni di funzionamento di un normale telefonino che riceve
e trasmette il segnale elettromagnetico con la sua antenna interna.
Dalle prove effettuate in laboratorio è emersa la necessità di inserire una attenuazione del segnale
sulla discesa dell’antenna esterna di circa 20 dB al fine di riprodurre le condizioni di ricezione dell’antenna interna del telefonino. Per questo motivo è stato inserito un attenuatore nella catena di misura tra
l’antenna esterna ed il misuratore di potenza.
Settembre 2014
Figura 2. Schema della catena strumentale predisposta per la misura della potenza emessa dal telefonino.
Supplemento al numero 301 di
(1)
A
19
a
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
La messa a punto della misura è stata effettuata grazie alla collaborazione tra Arpa Piemonte e il
laboratorio di ricerca di Telecom, TiLab, di Torino. TiLab ha fornito i telefoni mobili su cui sono state
effettuate le prove e l’antenna esterna, effettuando presso il proprio laboratorio la loro caratterizzazione
per la determinazione dell’attenuazione, come esposto sopra. Il laboratorio di metrologia dei campi
elettromagnetici di Arpa Piemonte ha messo a punto il set up sperimentale ed ha realizzato l’interfaccia
in LabView per il campionamento e l’analisi dei dati.
Il set up sperimentale assemblato per l’effettuazione delle prove in campo, che appare così
come rappresentato nella figura 3, consente di acquisire i dati di potenza rilevati con diversi intervalli temporali. Per l’effettuazione delle misure si è scelto di acquisire un dato di potenza ogni circa
30 millisecondi. I dati così acquisiti sono successivamente stati elaborati per la determinazione
dei parametri necessari alla valutazione delle condizioni di trasmissione nelle diverse situazioni di
misura, quali la potenza media e quella massima nel corso della telefonata.
Tra le varie condizioni che influenzano la potenza emessa da un telefonino vi è anche il tipo di
telefonata, nel caso del traffico voce, in quanto il numero di pause e di battute nel corso di una conversazione telefonica può variare anche in modo significativo la potenza media emessa a causa del
sistema DTX che, come già detto nel paragrafo precedente, non attiva la trasmissione del segnale dal
telefonino quando l’utente è in ascolto. Per questo scopo si è scelto di utilizzare una telefonata standard trasmettendo al microfono del telefonino in prova la registrazione di un brano di uno sketch nel
quale l’attrice Franca Valeri interpretava un personaggio impegnato in una conversazione telefonica.
Figura 3. Set up sperimentale per la misura di potenza emessa da telefoni cellulari.
20
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Messo a punto il sistema di misura, sono state effettuate le prove impostando le seguenti condizioni
di funzionamento del telefonino:
utilizzo solo rete 2G (GSM) con traffico voce;
utilizzo solo rete 3G (UMTS) con traffico voce;
n utilizzo solo rete 3G con traffico dati.
n
n
Modello telefono cellulare
SAR massimo alla testa riportato nel manuale W/kg
A
0.725
B
0.742
C
1.62
D
0.59
E
0.78
F
0.52
Tabella 1. Modelli di telefono cellulare utilizzati nelle prove e corrispondenti valori di SAR massimo alla testa.
Supplemento al numero 301 di
In tutti i siti di misura è stato rilevato il livello del campo elettromagnetico globale e quello del segnale
ricevuto dal telefono cellulare. I livelli dei segnali GSM e UMTS presenti nel sito di misura e indicativi della
ricezione dell’apparecchio telefonico per queste due tipologie di servizio, sono stati misurati per mezzo
di una catena strumentale in banda stretta costituita da un analizzatore di spettro Narda modello SRM
3000 collegato ad un’antenna triassiale. In particolare, sono stati determinati il valore della portante del
canale di controllo BCCH (Broadcast Control Channel) per i segnali GSM e della portante del canale
pilota CPICH (Common Pilot Channel) nel caso del segnale UMTS. Tali rilevazioni sono indipendenti dal
traffico presente al momento della misura e, pertanto, possono essere indicative del livello di ricezione
da parte dei telefonini.
Il valore globale di campo elettrico presente sul sito è stato rilevato con un misuratore in banda larga
Narda Mod 8053 con sonda EP330.
Al fine di valutare l’efficacia sulla riduzione dell’esposizione prodotta da dispositivi che consentono di usare il telefonino allontanandolo dalla testa, quali viva voce, auricolari e bluetooth, sono state
infine effettuate misure del campo elettromagnetico emesso dal telefonino a varie distanze dal corpo
dell’apparecchio. Queste misure sono state realizzate in laboratorio, usando i telefonini in condizioni di
massima emissione ponendoli in zone a basso campo elettromagnetico, per mezzo di un misuratore
di campo elettromagnetico a banda larga Narda modello 8053.
Per le prove sono stati utilizzati sei modelli di telefonino per i quali i valori massimi di SAR alla testa,
indicati sui manuali, sono riportati in tabella 1.
Settembre 2014
Il traffico dati è stato simulato scaricando un filmato da un sito web (YouTube). Come nel caso del
traffico voce, anche per il traffico dati si è deciso di standardizzare questa modalità di ricetrasmissione
del telefonino scaricando sempre lo stesso filmato.
Le misure della potenza, POUT, trasmessa dai telefonini, nelle tre modalità di funzionamento esposte,
sono state effettuate in diverse condizioni di ricezione del segnale rappresentate dai seguenti siti:
n aree esterne urbane densamente popolate, con elevati livelli di campo elettromagnetico;
n aree esterne rurali con bassi livelli di campo elettromagnetico;
n aree indoor con elevate schermature al campo elettromagnetico e difficili condizioni di ricezione.
21
a
Sito di misura
Contesto territoriale ed elettromagnetico
A
Area rurale in assenza di impianti in vicinanza
B
Piano seminterrato di edificio con scarsa ricezione dei segnali
C
D
Piani alti di condomini in ambiente urbano con buona ricezione segnale
E
F
Ambiente urbano in prospicienza di stazioni radio base per telefonia mobile
G
Tabella 2. Tipologia dei siti dove si sono svolte le misure.
Sui primi tre modelli, A, B e C, sono state effettuate sia le misure di potenza che quelle di campo
elettromagnetico, mentre per i modelli D, E ed F, solo le rilevazioni del campo elettromagnetico a diverse
distanze dall’apparecchio.
Le misure di potenza emessa dai telefonini sono state effettuate in sette diversi siti caratterizzati da
differenti condizioni di ricezione del segnale come riportato nella tabella 2.
Risultati e valutazione dei dati
Potenza (W)
0.00500 0.10 0.15
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Nelle figure seguenti sono riportati degli esempi di grafici con tracciati di dati visualizzati dall’interfaccia
predisposta per il set up di misura. I grafici rappresentano, in particolare, i valori di potenza emessa dal
telefonino nel corso di una chiamata di tipo vocale o con traffico dati.
0 500 100015002000
Index
Figura 4. Esempio di variazione della potenza emessa dal telefonino durante una chiamata vocale effettuata con segnale GSM (2G).
22
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Settembre 2014
0 500 100015002000
Index
Figura 5. Esempio di variazione della potenza emessa dal telefonino durante una chiamata vocale effettuata con segnale
GSM (2G) nel caso in cui il telefonino usi mediamente una elevata percentuale della potenza massima erogabile.
Supplemento al numero 301 di
Potenza (W)
0.00500 0.100.15
Il primo esempio riguarda l’andamento temporale della potenza nel corso della telefonata per una
chiamata vocale effettuata con segnale GSM (2G) così come mostrato di seguito.
Come si può notare dall’esame della dall’esame della figura 4, nei primi secondi della telefonata la
potenza emessa dal telefonino è molto più elevata di quella rilevata successivamente. Questo comportamento, che si manifesta con un picco iniziale di potenza, è dovuto al fatto che, all’inizio di una chiamata,
il telefonino emette un segnale più elevato per cercare la cella della stazione radiobase a cui “agganciarsi”
per utilizzare la rete. Successivamente il livello di potenza emesso dal telefonino si può abbassare notevolmente, a seguito del sistema di controllo della potenza (power control), fino a fattori maggiori di dieci,
o rimanere su valori confrontabili con quello del picco iniziale, in funzione delle condizioni di ricezione del
segnale elettromagnetico. Mentre in figura 4 è riportato un esempio nel quale il rapporto tra la potenza
del picco iniziale e quella media della telefonata è molto elevato, pari a circa 9, in figura 5 è rappresentato
un caso nel quale questo rapporto è molto più basso, pari a circa 1.7.
Il livello di potenza presentato in questi grafici presenta inoltre un andamento relativamente regolare
nel corso della telefonata con una variabilità dovuta al tipo di modulazione del segnale GSM che è basata
sull’’attivazione di singoli time slot per ciascun utente.
Un aspetto meno regolare viene invece manifestato dai grafici risultanti dalle misure riferite a chiamate
su rete 3G. In questo caso la tecnica di accesso alla risorsa radio (CDMA), che consiste nell’identificazione degli utenti tramite dei codici, e non con l’attribuzione ad essi di specifiche portanti o partizioni
temporali (time slot) di portanti, utilizza segnali le cui componenti si sovrappongono senza relazioni di
fase costanti in modo da apparire come segnali casuali tipici del rumore, denominati per questo “noise
like”. Alcune caratteristiche di questi segnali, quali l’elevato intervallo dinamico e le veloci variazioni
temporali, sono evidenziate anche nei grafici risultanti dalle misure di potenza emessa dal telefonino
effettuate nel corso di traffico voce o dati con tecnologia UMTS.
23
Potenza (W)
5.0e-076.0e-077.0e-078.0e-079.0e-071.0e-06 1.1e-06
a
0 500 100015002000
Index
Figura 6. Esempio di variazione della potenza emessa dal telefonino durante una chiamata vocale effettuata con segnale UMTS (3G).
Potenza (W)
0.00500 0.100.15
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Nei grafici delle figure 6 e 7 sono riportati due esempi che evidenziano, nel primo caso, la variazione
temporale della potenza nel corso di una chiamata vocale e, nel secondo caso, nel corso di una attivazione
di traffico dati. Il grafico relativo alla trasmissione di dati consente di identificare in modo evidente i momenti
della chiamata nel corso dei quali avviene lo scarico (download) dei dati, corrispondenti all’aumento dei
livelli di potenza, e quelli nei quali non avviene tale operazione, corrispondenti a un livello nullo di potenza.
0
10002000 30004000
Index
Figura 7. Esempio di variazione della potenza emessa dal telefonino durante una chiamata per traffico dati effettuata
con segnale UMTS (3G).
24
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Modello A
2,5
Traffico voce 2G
V/m
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1 10 1001000
mW
Modello A
Traffico 3G
Traffico dati
V/m
Traffico voce
0,000 0,0010,0100,1001,00010,000
mW
Supplemento al numero 301 di
Nei grafici delle figure 8, 9 e 10 sono riportati i valori di potenza misurati per tre modelli di
telefono cellulare nei diversi siti e per le diverse condizioni di traffico (voce 2G, voce 3G e dati
3G), in funzione dei livelli di campo elettrico presenti nel sito e riferiti al segnale GSM (2G) e al
segnale UMTS (3G) ricevuti dall’apparecchio telefonico. Per ciascuna condizione di traffico, la
misura della potenza è stata ripetuta cinque volte al fine di verificare la riproducibilità del dato. I
valori di potenza riportati nei grafici sono quindi pari alle medie dei cinque valori di potenza rilevati
in ciascuna sessione di misura.
Dall’esame dei dati riportati nei grafici risulta evidente il meccanismo di controllo di potenza (power
control) già descritto precedentemente: la potenza emessa dal telefonino aumenta al diminuire del
livello del segnale ricevuto. I dati acquisiti nel corso delle prove sui tre modelli di telefonino indicano
che la potenza media emessa può variare di un fattore pari a circa 60 nel caso di comunicazioni vocali
con tecnologia 2G, passando da circa 2 mW, in corrispondenza di un livello di campo elettrico di circa
2 V/m, a valori superiori a 100 mW (130 mW è il valore maggiore rilevato per il telefonino, modello A,
in corrispondenza di un livello di campo elettrico di circa 1 mV/m). Nel caso delle chiamate vocali in
modalità GSM (2G), si può pertanto avere un’emissione dal telefonino maggiore di 60 volte a fronte di
un riduzione del livello di segnale ricevuto di circa 2000 volte.
Settembre 2014
Figura 8. Potenza media emessa dal telefono cellulare, modello A, nel corso di una chiamata vocale 2G in corrispondenza
di segnali con livelli variabili da 0.001 V/m a circa 2 V/m e nel corso di una chiamata vocale 3G e di traffico dati 3G in
corrispondenza di segnali con livelli variabili da 0.013 V/m a circa 1.5 V/m.
25
a
Modello B
2,5
Traffico voce 2G
V/m
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1 10 1001000
mW
Modello B
Traffico 3G
Traffico dati
V/m
Traffico voce
0,000 0,0010,0100,1001,00010,000
mW
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Figura 9. Potenza media emessa dal telefono, modello B, nel corso di una chiamata vocale 2G in corrispondenza di segnali
con livelli variabili da 0.001 V/m a circa 2 V/m e nel corso di una chiamata vocale 3G e di traffico dati 3G in corrispondenza
di segnali con livelli variabili da 0.013 V/m a circa 1.5 V/m.
26
Nel caso di utilizzo di tecnologia 3G, sia per chiamate vocali che per trasmissione dati, la potenza
emessa dal telefonino risulta molto più bassa. In particolare, la potenza media varia da alcuni decimi di
micro watt (0.0004 mW), in corrispondenza ai livelli di campo elettrico più elevati, pari a circa 1.5 V/m,
ad alcuni mW in corrispondenza dei livelli più bassi di campo elettrico, di circa 0.01 V/m. In questo
caso si ha, quindi, un incremento della potenza emessa dal telefonino di un fattore pari a circa 10000
in corrispondenza di una riduzione del livello di campo elettrico ricevuto di un fattore pari a circa 150.
Dal confronto tra le due modalità di funzionamento del telefonino risulta, quindi, che con la tecnologia
3G si ha una riduzione notevole della potenza emessa dal telefonino, tanto più elevata quanto migliore
è il livello di ricezione. Se, infatti, per bassi livelli di campo elettrico la riduzione nella potenza media
emessa con una telefonata in 3G rispetto ad una telefonata in 2G è pari a un fattore 15, passando da
circa 100 mW ad alcuni mW, nel caso di maggiori livelli di campo elettrico si arriva a differenze di un
fattore 5000, corrispondenti a valori di potenza media che passano da circa 2 mW nel caso di chiamate
2G a decimi di µW per chiamate 3G.
I valori rilevati sui telefonini oggetto delle prove non hanno indicato differenze significative in funzione
del modello di telefono cellulare. I valori di potenza media misurati per i tre modelli considerati sono, infatti,
confrontabili e non hanno manifestano differenze tali da risultare significative per l’esposizione personale.
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Modello C
Traffico voce 2G
2.5
2.0
V/m
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
1
10 1001000
mW
Modello C
Traffico 3G
2.0
V/m
1.5
1.0
0.5
0.0
0,00010,00100,01000,10001,0000
10,0000
mW
Supplemento al numero 301 di
Tutte le considerazioni effettuate sulla potenza emessa dal telefonino possono essere ripetute
riferendosi al SAR alla testa e, quindi, più propriamente all’esposizione personale dell’utente, in virtù
del fatto che il SAR è proporzionale alla potenza emessa dal telefonino. In relazione a questo aspetto,
occorre precisare che tale relazione di proporzionalità vale a parità di posizione del telefono rispetto alla
testa. Il SAR, infatti, dipende non solo dalla potenza emessa dal telefonino ma anche delle modalità
con cui avviene l’accoppiamento testa-telefonino o, in altri termini, dalla distanza e dall’orientamento
dell’antenna dalla testa oltre che dalla forma e dalle dimensioni della testa. Ad esempio, alcuni studi
hanno evidenziato che, a parità di potenza emessa dal telefonino, il SAR assorbito dalla testa di un
bambino di dieci anni potrebbe essere superiore del 153% rispetto al SAR assorbito dalla testa di
un soggetto adulto [7].
Fino ad ora, le valutazioni sull’uso del telefonino e sul suo contributo all’esposizione globale a radiofrequenze sono state basate sull’ipotesi che l’apparecchio fosse a contatto con la testa, o ad essa
molto prossimo, nel corso di chiamate vocali. Come sappiamo, esistono però modalità alternative di
utilizzo del telefonino per il traffico voce basate sull’uso di dispositivi che consentono di aumentare la
distanza dell’antenna dalla testa quali: auricolare, bluetooth, viva voce. Per valutare l’efficacia di questi
dispositivi nel ridurre l’esposizione della testa e, quindi, il SAR assorbito, sono state effettuate delle
misure di intensità di campo elettromagnetico, su sei modelli di telefonino.
I livelli di campo elettrico misurati in funzione della distanza dal telefonino, nelle due diverse modalità
di funzionamento, traffico voce su rete 2G e 3G, sono stati riportati nelle figure 11 e 12.
Settembre 2014
Figura 10. Potenza media emessa dal telefono cellulare, modello C, nel corso di una chiamata vocale 2G in corrispondenza
di segnali con livelli variabili da 0.001 V/m a circa 2 e nel corso di una chiamata vocale 3G in corrispondenza di segnali
con livelli variabili da 0.013 V/m a circa 1.5 V/m.
27
a
20
Traffico voce 2G
10
0
5
Campo Elettrico (V/m)
15
Apparato A
Apparato B
Apparato E
10 2030 40 5060
Distanza (cm)
15
Traffico voce 2G
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
5
0
Campo Elettrico (V/m)
10
Apparato C
Apparato D
Apparato F
10 2030 40 5060
Distanza (cm)
Figura 11. Livelli di campo elettrico emesso da sei modelli di telefono cellulare a diverse distanze dall’apparecchio in
modalità di funzionamento: traffico voce su rete GSM (2G).
L’esame di queste figure mostra una rapida variazione dei livelli di campo elettrico emessi dal telefonino in funzione della distanza dalla sua antenna. Ad una distanza di 30 cm dal telefonino il campo elettrico
si riduce, infatti, di un fattore pari all’80-90%. I dati riportati nei grafici confermano, inoltre, quanto già
osservato con le misure di potenza: il livello delle emissioni di radiazione elettromagnetica nella modalità
di utilizzo 3G è molto più basso di quello della modalità 2G. La riduzione corrisponde all’incirca a un
fattore 7, passando da livelli massimi di circa 20 V/m a livelli massimi di circa 3 V/m.
28
Esposizione personale e uso del cellulare
A
4
Traffico voce 2G
2
0
1
Campo Elettrico (V/m)
3
Apparato A
Apparato B
Apparato C
Apparato E
510 152025303540
Distanza (cm)
Figura 12. Livelli di campo elettrico emesso da quattro modelli di telefono cellulare a diverse distanze dall’apparecchio
in modalità di funzionamento: traffico voce su rete UMTS (3G).
Una applicazione per smartphone per analizzare l’esposizione
Le analisi effettuate in questo lavoro hanno permesso di quantificare in che modo l’esposizione
personale alle radiazioni elettromagnetiche a radiofrequenza emesse dal telefonino viene influenzata
da diversi fattori quali: il livello di ricezione del segnale, il tipo di rete su cui avviene la comunicazione
e l’utilizzo di dispositivi quali auricolari e viva voce. La conoscenza di ciascuno di questi fattori può,
quindi, consentire un utilizzo più consapevole del telefonino e un adeguato controllo della propria
esposizione.
ANALISI DATI
Figura 13. Rappresentazione schematica del flusso di dati per analisi cumulative sull’esposizione di un campione di
utilizzatori di telefonini.
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
SERVER FTP
29
a
Livello segnale
ricevuto
L (dBm)
Campo Elettrico
Ambientale
E (V/m)
Potenza media
per chiamate 2G
Pmedia (mW)
Potenza media
per chiamate 3G
Pmedia (mW)
L ≤ - 90
E ≤ 0.01
Pmedia ≥ 50
Pmedia ≥ 5
- 90 < L ≤ - 65
0.01 < E ≤ 0.2
10 ≤Pmedia < 50
Pmedia
L > - 65
E > 0.2
Pmedia < 10
Pmedia < 0.0015
Tabella 3. Livello del segnale ricevuto dal telefonino e rilevato dalla app e corrispondenti valori del livello di campo elettrico
dei segnali di telefonia mobile e della potenza media emessa dal telefonino.
Come supporto utile alla conoscenza ed al controllo dell’esposizione personale al telefonino è stata
realizzata una applicazione da scaricare e installare su telefonini di tipo smartphone. L’applicazione,
denominata SARPAPER, è stata scritta in ambiente Android con software open source e, pertanto, è
stata resa disponibile pubblicamente per utilizzo sui dispositivi mobili tipo smartphone che impiegano il
sistema operativo Android (il codice sorgente è accessibile al seguente indirizzo https://github.com/
sarpaper/android).
n
n
n
n
La app consente di monitorare i seguenti parametri:
tempo di ogni chiamata vocale;
tipo di rete su cui avviene il traffico;
livello de segnale ricevuto in dBm;
eventuale dispositivo utilizzato (viva voce o auricolare).
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Per quanto riguarda il tipo di rete, sono identificabili quindici diversi protocolli di comunicazione: tre
relativi a tecnologia 2G (GPRS, EDGE e iDen), undici relativi a tecnologia 3G (CDMA, UMTS, eHRPD,
HSPA, HSPA+, HSDPA, HSUPA, EVDO rev 0-A-B, 1xRTT) ed uno relativo a tecnologia 4G (LTE).
I dati rilevati dalla app sono visibili all’utente grazie ad un report disponibile sull’interfaccia del telefonino
con un riassunto dei dati monitorati contenente i tempi complessivi trascorsi nelle diverse modalità di utilizzo.
L’invio di file log ad un server ftp, come rappresentato schematicamente in figura 13, consente di
utilizzare la app anche per indagini finalizzate a valutazioni sulle modalità di impiego del telefonino da
parte di un gruppo di utenti. Un particolare utilizzo può essere quello di indagini legate a studi epidemiologici sull’esposizione al cellulare.
Alta 30%
Media 62%
Bassa 8%
Figura 14. Esempio di statistica basata sull’utilizzo della app che rappresenta i livelli di esposizione di un gruppo di utenti.
30
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Senza Ausili 80%
Vivavoce 25%
Auricolari 5%
Figura 15. Esempio di statistica basata sull’utilizzo della app che rappresenta la percentuale del tempo di utilizzo di ausili
da parte di un gruppo di utenti.
38%
8%
< 5’
5’-15’
> 5’
54%
Conclusioni
L’indagine sperimentale effettuata ha consentito la caratterizzazione dell’emissione di radiazione elettromagnetica per sei modelli di cellulare. Per tre di questi modelli, di tipo smartphone, è stata effettuata
la caratterizzazione della potenza emessa nel corso di varie tipologie di utilizzo, quali chiamata vocale,
con tecnologia 2G o 3G, e traffico dati.
I dati rilevati con il sistema di misura, progettato e messo a punto ad hoc, forniscono alcune indicazioni utili per valutare le caratteristiche dell’esposizione al telefono cellulare.
La potenza emessa dal telefonino aumenta al diminuire del livello del segnale ricevuto. In particolare,
la potenza media emessa può variare di un fattore pari a circa 60 nel caso di comunicazioni vocali con
tecnologia 2G, passando da circa 2 mW, in corrispondenza di un livello di campo elettrico di circa 2
Supplemento al numero 301 di
I dati rilevati dalla app possono consentire il calcolo di un indicatore di esposizione basato sulla correlazione tra il livello di segnale rilevato, il livello di campo ambientale e la potenza emessa dal telefonino.
Considerando i risultati di questa indagine, una prima correlazione indicativa tra questi tre parametri è
quella riportata in tabella 3.
I dati della tabella consentono di individuare tre tipologie di esposizione: bassa, media e alta, sulla
base delle quali fornire una indicazione sintetica del livello dell’esposizione alla radiazione elettromagnetica emessa dal telefonino. Ulteriori analisi si possono basare sul tempo giornaliero nel quale il telefonino
è stato impiegato a determinati livelli di segnale ricevuto, per determinate tipologie di traffico telefonico.
Settembre 2014
Figura 16. Esempio di statistica basata sull’utilizzo della app che rappresenta i livelli di esposizione di un gruppo di utenti.
31
a
V/m, a valori superiori a 100 mW in corrispondenza di un livello di campo elettrico di circa 1 mV/m. Nel
caso delle chiamate vocali in modalità GSM (2G), si può pertanto avere una emissione dal telefonino
maggiore di 60 volte a fronte di un riduzione del livello di segnale ricevuto di circa 2000 volte.
Con la tecnologia 3G si ha una riduzione notevole della potenza emessa dal telefonino, tanto più
elevata quanto migliore è il livello di ricezione. Se, infatti, per bassi livelli di campo elettrico la riduzione
nella potenza media emessa con una telefonata in 3G rispetto ad una telefonata in 2G è pari a un fattore
15, passando da circa 100 mW ad alcuni mW, nel caso di maggiori livelli di campo elettrico si arriva a
differenze di un fattore 5000, corrispondenti a valori di potenza media che passano da circa 2 mW nel
caso di chiamate 2G a decimi di µW (micro watt) per chiamate 3G.
I livelli di campo elettromagnetico emessi da un telefonino si riducono rapidamente con la distanza dall’antenna. Ad una distanza di 30 cm si ha una riduzione pari a circa l’80-90% dell’intensità dell’esposizione.
I risultati determinati con questa indagine sperimentale e sopra esposti potranno essere ulteriormente
approfonditi e puntualizzati aumentando il campione di telefonini oggetto delle prove e delle situazioni
di esposizione ambientale.
Un ulteriore sviluppo di questa indagine potrà essere realizzato grazie ad una app per telefoni cellulari tipo
smartphone con sistema operativo Android che è stata messa a punto per monitorare alcuni parametri connessi
all’esposizione e che è disponibile per un utilizzo libero (open source). Particolare interesse potrà avere l’impiego
della app per analisi cumulative su gruppi di utenti finalizzate, ad esempio, ad indagini di tipo epidemiologico.
Ringraziamenti
L’indagine presentata in questo lavoro è stata finanziata dal Comitato Regionale per le Comunicazioni
(CoReCom) del Piemonte.
Si ringrazia il laboratorio TiLab di Telecom Italia per i contributi tecnici forniti nella predisposizione del
set up di misura della potenza a radiofrequenza.
La app è stata realizzata da Alfonso Domenici e Luca Guerrini. È disponibile come progetto Open
Source rilasciato con licenza GNU GPL V3 (vedi indirizzo http://www.gnu.org/licenses/gpl.html). ll codice
sorgente è accessibile all’indirizzo https://github.com/sarpaper/Android.
Riferimenti bibliografici
[1] IARC Monograph on the evaluation of carcinogenic risks to humans “Non ionizing radiation, part 2: radiofrequency
Settembre 2014
electromagnetic fields”, Vol 102, april 2013.
[2] Vrijheid M., Mann S., Vecchia P., Wiart J. et al. (2009) Determinants of mobile phone output power in a multinational
study: implications for exposure assessment. Occupational and Environmental Medicine. Vol. 66, n. 10, pp 664-671.
[3] Ardoino L., Barbieri E. and Vecchia P. (2004) Determinants od exposure to electromagnetic fields from mobile
phones. Radiation Protection Dosimetry. 111, pp- 403-406.
[4] CEI Norma Tecnica CEI 211-10 “Guida alla realizzazione di una stazione radio base per rispettare i limiti di espo-
Supplemento al numero 301 di
sizione ai campi elettromagnetici in alta frequenza” Aprile 2002.
[5] NIST National Institute of Standard and Technologies (1997) “Electromagnetic signal attenuation in construction
materials” Report n. 3. NISTIR 6055.
[6] S. Trinchero, S. Adda, L. Anglesio, M. Mantovan, G. d’Amore “Radiofrequency measurements for human exposure assessment in indoor environment” International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications,
Torino, Italia, 14-18 settembre 2009, pp. 1046-1049.
[7] Gandhi O.P., Morgan L.L., de Salles A.A., Han Y.Y., Heberman R.B., Davis D.L. (2012) Exposure limits: the underestimation of absorbed cell phone radiation, especially in children. Elecrtomagnetic Biology and Medicine, 31, pp 34-51.
32
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Analisi dell’impatto della distribuzione delle stazioni
radiobase nel territorio sulla potenza trasmessa
dai terminali mobili
di M. Barbiroli
|
Università di Bologna
Fondazione Ugo Bordoni
La valutazione, la misura e il controllo dei livelli di esposizione generati dai sistemi per telecomunicazioni hanno riguardato principalmente gli impianti radianti fissi (trasmettitori televisivi, stazioni radiobase
per sistemi cellulari, ecc.) e non le apparecchiature di uso domestico o individuale (telefoni mobili,
cordless, apparati a corto raggio, ecc.). In particolare si può notare che l’attenzione, per quanto riguarda i sistemi radiomobili, è stata rivolta ai livelli di campo elettromagnetico prodotto dalle stazioni
radiobase (la normativa italiana a tale riguardo [1,2] è esplicitamente relativa esclusivamente agli impianti radioelettrici compresi gli impianti per telefonia mobile, i radar e gli impianti per radiodiffusione),
mentre nessuna attenzione è stata posta relativamente ai fattori che possono influire sui livelli di campo elettromagnetico prodotti dai terminali mobili, che fanno riferimento alla normativa internazionale [3]
e ad una serie di norme di prodotto che ne consentono la marcatura CE.
In questi anni quindi l’interesse è stato rivolto all’individuazione delle soluzioni tecnologiche, delle
azioni di risanamento e delle modalità di installazione delle stazioni radiobase da implementare al fine
della progressiva minimizzazione dell’intensità dei campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici, irradiati da tali impianti, come indicato nella legge 36 del 2001 [1]. È opportuno notare però che a una
minimizzazione dei livelli di campo elettromagnetico prodotto dalle stazioni fisse per le radiocomunicazioni non è detto che corrisponda una pari minimizzazione della potenza emessa dal telefono mobile,
che è in realtà la sorgente più prossima al corpo umano. Pur nel rispetto dei limiti, infatti, la potenza
emessa da un terminale può essere soggetta a variazioni anche considerevoli, in relazione alla qualità
del segnale ricevuto.
Alla luce di queste considerazioni è di interesse la valutazione dei valori di potenza trasmessa dai
terminali mobili per diversi layout della rete cellulare, che permette di ottenere anche una caratterizzazione della variabilità della potenza che essi trasmettono in diversi ambienti (es. urbano, suburbano
o area aperta). Tale valutazione permette inoltre di verificare se e come la pianificazione sub-ottima
di una rete determina l’incremento della potenza emessa dai cellulari e quindi dell’esposizione degli
utilizzatori.
Lo studio qui presentato riporta i primi risultati in tal senso, ottenuti grazie a simulazioni teoriche e
all’analisi di un insieme di campioni di misura raccolti sul campo.
Ad oggi sono state avviate, in particolare, alcune indagini su di layout esagonali di tipo micro/small/
macro cellulare e i sono disponibili i primi riscontri derivati dalla analisi dei dati di misura. Sono state
inoltre condotte simulazioni in uno scenario di tipo Manhattan ai fini dell’analisi dei dati sperimentali.
Scenari e modelli di simulazione
La distribuzione dei valori di potenza trasmessa dai terminali mobili è stata calcolata in diversi scenari
in funzione del layout della rete cellulare. Sono stati inizialmente considerati layout esagonali con diverse tipologie di copertura e caratterizzati dai parametri di simulazione in Tabella 1.
All’interno dell’area di simulazione, sono state distribuite in maniera uniforme sul territorio le stazioni radiobase, assumendo un layout esagonale con celle di uguale raggio. L’area di simulazione è
stata suddivisa in pixel di dimensione 100x100 mq, dove è stata calcolata la potenza minima PT che
Settembre 2014
|
Supplemento al numero 301 di
C. Carciofi
33
a
Macrocelle
Small cells
Microcelle
Altezza stazione radiobase [m]
30
20
4
Guadagno di antenna alla SRB (GT) [dBi]
17
14
4
Raggio della cella [km]
5
3
1
Guadagno del terminale mobile (GR) [dBi]
2
2
2
Altezza terminale mobile [m]
1,5
1,5
1,5
Potenza minima ricevuta alla SRB (PR) [dBm]
-105
-105
-105
Tabella 1. Parametri descrittivi degli scenari esagonali simulati.
deve trasmettere il terminale mobile (UE – User Equipment) per agganciarsi alla stazione radiobase
(SRB) più vicina:
PT(UE) = PR – GT – GR + PL
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
dove i parametri indicati assumono i valori di Tabella 1 per i diversi scenari e l’attenuazione di tratta
(PL) è calcolata con il modello Hata-COST231 [4].
L’attenuazione di tratta è stata calcolata per diversi valori di frequenza (900, 1800, 2100 MHz) e
per le diverse tipologie di copertura macro, small e micro. Sono state calcolate le potenze trasmesse
dai terminali in tutti i diversi pixel dell’area di simulazione e i risultati sono stati elaborati per ottenere
distribuzioni cumulative della distribuzione della potenza.
Oltre agli scenari di copertura con layout teorico esagonale (Figura 1), è stato preso in esame uno
scenario maggiormente realistico, descrittivo per aree urbane di tipo Manhattan (Figura 2), con una
copertura mista “ad ombrello” comprendente sia small cell che microcelle. In questo scenario la propagazione micro cellulare è stata simulata attraverso un modello rigoroso di ray-tracing mentre per la
small cell è stato utilizzato un modello a due raggi di tipo dual-slope. I valori di potenza dei terminali
sono stati calcolati in diversi punti collocati lungo le strade della città.
Figura 1. Scenario di simulazione di tipo esagonale.
34
Esposizione personale e uso del cellulare
A
60 m
20 m
1 km
Micro 1
r_out 4
r_out 3
r_out 1
Micro 2
r_out 2
Micro 3
Micro 4
Micro 5
Macro
Figura 2. Scenario di simulazione di tipo Manhattan.
Come verrà mostrato nel seguito, i risultati delle simulazioni condotte nello scenario di tipo Manhattan sono stati confrontati con dati sulle potenze dei terminali misurate in aree urbane.
Considerazioni preliminari nello scenario esagonale
Come noto, la potenza trasmessa dai terminali dipende dalla distanza dalla stazione radiobase, dalla
tipologia di copertura cellulare e dall’ambiente di propagazione (es. urbano, rurale).
In questa sezione si mostra la dipendenza della potenza emessa dai terminali dal layout di rete (micro/small/macro), considerando una tassellazione teorica esagonale del territorio.
Con le assunzioni di Tabella 1, applicando il modello Hata-COST231 [4] e considerando sistemi
3G, si possono calcolare i valori teorici di potenza emessa dal terminale per diversi tipi di coperture.
Le curve del grafico di figura 3 mostrano, in base ad un modello semplificato che non tiene conto del
traffico sostenuto dalla rete, la potenza necessaria per garantire il collegamento tra un terminale che
30
20
00,5 11,52 2,5 3 3,5 44,55
-10
-20
Potenza UE micro (dBm)
Potenza UE small cell
Potenza UE macro
-30
-40
Distanza (km)
Figura 3. Analisi andamento potenza trasmessa da terminale (UE) in funzione della distanza dalla stazione radiobase:
macro, small cell, micro. Modello di propagazione COST231 – HATA esteso.
Settembre 2014
0
Supplemento al numero 301 di
Potenza UE (dBm)
10
35
a
Confronto curve cumulative macrocella
Modello Hata - r=3000m
1
0.9
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
data900MHz
data1800MHz
data2100MHz
0.2
0.1
0
-15 -10-5 0 5 1015 20
P TX (dBm) terminale mobile
Probabilità di trasmettere un valore
di potenza minore del valore in ascissa
Probabilità di trasmettere un valore
di potenza minore del valore in ascissa
Confronto curve cumulative small cell
Modello Hata .r=1500m
1
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
data900MHz
data1800MHz
data2100MHz
0.2
0.1
0
0 5 1015 20 25
P TX (dBm) terminale mobile
Figura 4. Esempio analisi impatto della banda di frequenza su potenza UE (small/macro cell).
PotUE (dBm)
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
si trovi ad una certa distanza dalla stazione radiobase e la SRB stessa, in funzione del tipo di layout
esagonale che si sta considerando.
Le analisi effettuate mostrano che, a parità di distanza tra mobile e SRB, i layout microcellulari richiedono potenze di emissione più elevate. Ciò è dovuto alle caratteristiche del modello di propagazione adottato,
che tiene conto del maggior effetto schermante che il collegamento subisce da parte degli edifici in scenari
microcellulari rispetto a quelli macrocellulari, e al minore guadagno di antenna tipico delle installazioni microcellulari. Di conseguenza, gli studi teorici, per quanto relativi a scenari di rete piuttosto lontani da quelli
reali, evidenziano che il ricorso a coperture interamente microcellulari avrebbe l’effetto di aumentare, a parità di distanza dalla stazione radiobase, l’esposizione personale. Si nota, infatti, dalla figura 3 che il valore
massimo di potenza che il terminale può emettere (pari a 25 dBm) si raggiunge in questo scenario teorico a
0,9 km per le microcelle, a 3,1 km per le small cells e a 4,6 km per le macrocelle.
L’analisi della potenza emessa dai terminali può poi essere riferita a frequenze diverse, una volta
fissato il tipo di layout. Ovviamente a frequenze più basse sono sufficienti potenze più ridotte per garantire il collegamento, come mostrano le immagini relative alle distribuzioni cumulative di figura 4 per
celle di raggio diverso (R=1,5 km e R=3 km) al variare della frequenza di utilizzo.
RSSI (dBm)
Figura 5. Grafico a dispersione dei valori di potenza trasmessa dalle chiavette dati in funzione dell’intensità del segnale ricevuto.
36
Esposizione personale e uso del cellulare
A
Analisi delle misure
Come anticipato, in aggiunta alle semplici considerazioni teoriche appena illustrate, è stato analizzato
un insieme di campioni di misura delle potenze trasmesse dai terminali mobili in ambiente urbano.
Le misure si riferiscono alla trasmissione/ricezione attraverso chiavette dati. Il diagramma di figura 5
riporta i valori di potenza emessa in funzione del segnale ricevuto dalle stazioni radiobase, mostrando,
come noto, che il terminale deve trasmettere maggiore potenza laddove il livello di segnale ricevuto è
minore, ovvero dove la copertura è più scarsa. Nella figura 5 è indicata anche la retta di regressione lineare dei valori di misura che lega, in questo caso, la potenza emessa dal terminale al livello di segnale
ricevuto (RSSI); come si può notare il valore della potenza trasmessa è inversamente proporzionale al
livello del segnale ricevuto. La dispersione dei valori attorno alla retta è imputabile alla varietà sia degli
ambienti che delle condizioni del traffico di rete, nelle aree in cui sono state realizzate le misure.
Confronti preliminari tra misure e simulazioni
Misure
Microcelle
Small cell+microcelle
-50-40 -30-20 -10 0 10 20
Potenza trasmessa (dBm)
Figura 6. Confronto curve cumulative delle simulazioni e delle misure.
30
Supplemento al numero 301 di
Settembre 2014
Probabilità di trasmettere un valore di potenza minore
del valore in ascissa
È immediato rilevare che le analisi teoriche con layout esagonali non sono per nulla adeguate a descrivere
il reale andamento della potenza emessa dai terminali. Per questo, è stato deciso di considerare ambienti
di simulazione ancora piuttosto schematizzati e facili da studiare, ma comunque più vicini agli scenari reali.
Per poter procedere ad un confronto sensato tra valori di misura e simulazioni, è stato ritenuto
utile ricavare alcuni indicatori descrittivi degli ambienti in cui sono state condotte le misure. Uno dei
parametri considerati maggiormente indicativi a tale scopo è la distanza media tra un sito radiomobile
e un altro. Tale distanza può essere dedotta in prima approssimazione considerando l’estensione territoriale delle aree oggetto di misura e il numero complessivo di siti 3G installati in tali aree. Con questa
semplice approssimazione si ottiene una distanza intersito media approssimativamente pari a 1 km,
corrispondente a celle di raggio pari a circa 500 m e, quindi, a coperture urbane piuttosto dense, che
37
a
si prestano ad essere modellate in scenari di tipo Manhattan più aderenti alla realtà del caso di layout
esagonali, ma ancora piuttosto semplificati e facili da studiare.
Lo scenario di tipo Manhattan considerato è quello già descritto ed illustrato in Figura 2, per il quale
sono state considerate coperture microcellulari e coperture miste micro-small cell. Le posizioni delle
microcelle e della small cell usate nello studio sono riportate nella medesima Figura 2.
L’analisi simulativa dello scenario appena descritto è stata condotta in due diversi casi: considerando la presenza delle sole microcelle e la presenza addizionale della small cell a realizzare una copertura mista “ad ombrello”.
La figura 6 riporta il confronto tra le curve cumulative relative ai risultati delle simulazioni e delle
misure. Si può osservare che lo scenario teorico di tipo Manhattan che è stato considerato consente
di riprodurre con buona approssimazione l’andamento della curva relativa alle misure e l’accordo è
migliore se si considera il caso di layout misti, “a ombrello”.
In particolare, si osserva che la realizzazione di un layout interamente microcellulare corrisponde ad un
valore stimato più elevato delle potenze effettivamente emesse dai terminali, mentre le medesime stime
si riducono nel caso di coperture miste, riducendo lo scarto con le curve ricavate per via sperimentale.
Anche i modelli simulativi quindi evidenziano che l’impiego di layout sub-ottimi (come un layout
interamente microcellulare) porterebbe a valori di potenza di emissione dei terminali più elevati rispetto
al caso di coperture più attentamente progettate e articolate (coperture miste).
Conclusioni e sviluppi futuri
Settembre 2014
In studi precedenti [5] è stato dimostrato che il ricorso a layout interamente microcellulari con celle a
basse potenze per realizzare coperture urbane, può comportare il rischio di innalzare i livelli di esposizione
ambientali. In questo lavoro si evidenzia un simile risultato per l’esposizione personale. Questo risultato
è stato mostrato sia per layout teorici di tipo esagonale che per ambienti di tipo Manhattan. Le analisi di
misure sperimentali hanno confermato che le potenze trasmesse dai terminali sono tanto maggiori quanto
minore è il livello di segnale ricevuto (copertura sub-ottima) e il confronto tra valori di misura e stime simulative ha fornito le prime indicazioni su come evidenziare l’effetto che la pianificazione sub-ottima di una
rete può avere in termini di aumento sia dell’esposizione ambientale sia di quella personale; tali effetti non
necessariamente si manifestano contemporaneamente. Diventa quindi importante sviluppare nuovi criteri di ottimizzazione per la pianificazione cellulare che perseguano sia la minimizzazione dell’esposizione
ambientale che quella personale dovuta ai terminali. Tale approfondimento sarà oggetto di studi futuri. n
Riferimenti bibliografici
[1] Legge 22 febbraio 2001, n. 36: “Legge quadro sulla protezione dalle esposizioni a campi elettrici, magnetici ed
elettromagnetici”, pubblicata nella Gazzetta Ufficiale n. 55 del 7 marzo 2001.
[2] DECRETO DEL PRESIDENTE DEL CONSIGLIO DEI MINISTRI 8 luglio 2003: “Fissazione dei limiti di esposizione, dei
Supplemento al numero 301 di
valori di attenzione e degli obiettivi di qualità per la protezione della popolazione dalle esposizioni a campi elettrici,
magnetici ed elettromagnetici generati a frequenze comprese tra 100 kHz e 300 GHz.” (GU n. 199 del 28-8-2003).
[3] Raccomandazione Europea 1999 (1999/519/CE): RACCOMANDAZIONE DEL CONSIGLIO del 12 luglio 1999
relativa alla limitazione dell’esposizione della popolazione ai campi elettromagnetici da 0 Hz a 300 GHz.
[4] Final report for COST Action 231, Chapter 4.
[5] Barbiroli, M.; Carciofi, C.; Grazioso, P.; Guiducci, D.; Zaniboni, C., “Analysis of macrocellular and microcellular
coverage with attention to exposure levels,” Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2008. PIMRC
2008. IEEE 19th International Symposium on., vol., no., pp.1,5, 15-18 Sept. 2008.
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