Individuazione dei contributi di celle UMTS isofrequenza con analizzatore di spettro supereterodina
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Individuazione dei contributi di celle UMTS isofrequenza con
analizzatore di spettro supereterodina
A.Barellini1, D.Palazzuoli2, G.Licitra2, A.Pinzauti2, A.M. Silvi3
1
ARPA Toscana – Dip. Prov.le Pisa – via V.Veneto, 27 – Pisa – a.barellini@arpat.toscana.it
2
ARPA Toscana – Dir. Tecnica - STePPAS – via Porpora, 22 – Firenze –
d.palazzuoli@arpat.toscana.it, g.licitra@arpat.toscana.it ; a.pinzauti@arpat.toscana.it
3
ARPA Toscana – Dip. Prov.le Livorno – via Marradi, 114 – Livorno –am.silvi@arpat.toscana.it
Riassunto
Nel presente lavoro è stata studiata la possibilità di individuare i contributi di celle UMTS isofrequenza attraverso
una catena strumentale, che utilizzi un analizzatore di spettro tradizionale ed un’antenna direttiva. L’utilizzo di tale
catena si propone come alternativa all’utilizzo dell’analizzatore VSA.
A) INTRODUZIONE
L’Appendice H “Metodologie di misura per segnali UMTS” della Norma CEI 211-10 “Guida alla
realizzazione di una Stazione Radio Base per rispettare i limiti di esposizione ai campi
elettromagnetici in alta frequenza” [1] indica la possibilità di effettuare misure in banda stretta su
segnali UMTS sia con analizzatori di spettro tradizionali supereterodina (SA), che con analizzatori di
spettro vettoriali (VSA) che consentono la misura nel dominio dei codici. L’utilizzo degli analizzatori
VSA diventa necessario qualora occorra discriminare il contributo di due o più celle UMTS operanti
alla stessa frequenza, in particolar modo, nel caso di un superamento dei limiti previsti dalla
normativa, al fine di operare la riconduzione a conformità o per l’applicazione delle tecniche di
estrapolazione dei massimi livelli attesi indicati dalla citata Appendice H.
Nel presente lavoro è stata studiata la possibilità di individuare i contributi di celle UMTS
isofrequenza attraverso una catena strumentale, che utilizzi un analizzatore di spettro tradizionale ed
un’antenna direttiva. L’utilizzo di tale catena si propone come alternativa all’utilizzo dell’analizzatore
VSA. Lo studio è stato effettuato sul campo, presso Stazioni Radio Base in esercizio. A tale scopo,
sono stati confrontati i risultati ottenuti da misure effettuate nei medesimi punti con una catena
strumentale dotata in un caso di un’antenna direttiva e nell’altro di un’antenna a bassa direttività. Lo
studio ha consentito di individuare le condizioni di applicabilità del metodo proposto. All’interno del
campo di applicabilità i risultati con le due antenne coincidono entro l’errore della catena strumentale.
B) IL SISTEMA UMTS
I parametri di sistema per il segnale UMTS sono stati determinati in ambito 3GPP (3rd Generation
Partenership Project) [2]. Le specifiche garantiscono con l’utilizzo della tecnologia W-CDMA (wide –
CDMA) bit rate diversi ad utenti diversi, da un minimo di 7.5 kbit/s fino a 2 Mbit/s, contro un bit rate
massimo per la tecnologia GSM in trasmissione vocale di 22.8 kbit/s (che poteva diventare di 11.4
kbit/s per la trasmissione a velocità dimezzata con un raddoppio di utenze disponibili). La trasmissione
radio in UMTS è organizzata temporalmente in Trame della durata di 10 ms (38400 chip), suddivise in
15 Time Slot. La banda assegnata per un segnale UMTS è pari a 5 MHz ed esiste una ulteriore
canalizzazione ottenuta mediante l’utilizzo di codici ortogonali, detti codici di scrambling della cella, in
modo che diverse celle possono condividere la stessa risorsa radio. A sua volta ogni risorsa radio è
condivisa da più utenti, ciascuno dei quali può essere identificato attraverso un codice univoco detto
codice di spreading. Per quanto riguarda le modalità di trasmissione del segnale la decisione ERC
n° 25/1999, che definisce le bande UMTS in Europa, prevede entrambe le modalità di duplexing già
adottate nei sistemi esistenti. La prima utilizza una tecnica in FDD (Frequency Division Duplex), l’altra
modalità prevede l’utilizzo della tecnica TDD (Time Division Duplex).
Nella componente FDD, che ci interessa maggiormente in quanto utilizzata dai gestori nella prima
implementazione della rete UMTS, la trama assume il significato di minimo elemento di trasmissione,
in cui la velocità di trasferimento dell’informazione è mantenuta costante.C) MISURA DEI SEGNALI UMTS
Al momento sono possibili due tecniche per la misura di segnali UMTS. La prima utilizza il
tradizionale analizzatore di spettro basato sul principio di funzionamento tipo “supereterodina”. I
moderni strumenti basati su questa tecnica hanno la possibilità di eseguire misure della potenza su
tutta la banda 5 MHz per mezzo della funzione Channel Power [1]. La seconda metodologia utilizza un
analizzatore vettoriale, basato su tecniche di ricostruzione del segnale mediante algoritmi di FFT. Tali
strumenti permettono di eseguire misure anche nel dominio dei codici e, quindi, di effettuare, oltre che
la misura della potenza complessiva trasmessa nei 5 MHz, anche la misura della potenza associata a
ciascun canale comune o dedicato. Poiché il sistema UMTS consente il riuso della stessa frequenza
anche in celle adiacenti, il segnale rivelato nella banda 5 MHz del segnale UMTS è quello prodotto da
tutte le celle che trasmettono utilizzando la stessa portante radio (isofrequenza). In sede d’indagine,
l’analizzatore vettoriale può pertanto divenire necessario, qualora si voglia estrapolare il valore di
campo elettrico prodotto nelle condizioni di massimo carico dell’impianto, oppure nel caso di valori di
campo elettrico superiori a quelli di legge, per cui risulta necessario individuare il contributo di ogni
singola sorgente. Dati gli attuali elevati costi di questo tipo di strumentazione, la seconda metodologia
di misura è molto meno utilizzata.
D) STRUMENTAZIONE E METODI
Nel presente lavoro è stata indagata, in situ, la possibilità di discriminare il contributo di due celle
UMTS tramite analizzatore di spettro tradizionale (nel nostro caso Agilent serie ESA mod. E4402-B),
utilizzando un’antenna direttiva ETS modello 3160-03, di cui viene di seguito riportato un breve
riepilogo dei dati tecnici.
Tabella1: caratteristiche tecniche dell’antenna direttiva ETS modello 3160-03
Frequenza [GHz] 1.7 ÷ 2.6
AF dB [1/m] @ 2.15 GHz 20.60
Dimensioni (h,l,p) [cm] 34,26,62.2
Diagramma di irradiazione – HPBW @ 2.15 GHz 28°
Diagramma di irradiazione - Angolo a –10 dB @ 2.15 GHz 44°
Lo scopo dell’utilizzo di tale antenna è quello di sfruttare la sua caratteristica di direttività per
selezionare il contributo delle singole celle. Ciò sarà possibile qualora, in dipendenza del sito di
misura, puntando in direzione di una cella, i contributi delle altre celle risulteranno sensibilmente ridotti
a causa del diagramma di irraggiamento dell’antenna (ad esempio per ampiezze superiori a metà
dell’angolo a – 10 dB del diagramma di irradiazione).
Figura 1: schematizzazione delle condizioni di applicabilità della procedura,in rosso è evidenziato l’angolo
a – 10 dB dell’antenna e in nero è evidenziato l’angolo fra le celle
Nel verificare la procedura sono stati indagati i punti di misura interessati da celle diverse e per i
quali risultava problematica l’individuazione dei singoli contributi.
Gli impianti presso i quali può essere utilizzata la procedura sono, quindi, realizzati con antenne
trasmissive posizionate su sostegni diversi. Presso tali impianti i punti di misura maggiormente critici
risultano quelli posizionati lungo la bisettrice delle direzioni di puntamento di due settori.In tali punti sono state eseguite misure di Channel Power sulla banda UMTS indagata e sui
contributi dei singoli canali pilota CPICH [1], utilizzando sia un’antenna a “bassa direttività” (Antenna
Seibersdorf Research mod. PCD 8250), che l’antenna direttiva descritta in precedenza. Nel caso
dell’antenna a bassa direttività sono state eseguite acquisizioni sui tre assi utilizzando l’apposito
posizionatore, mentre nel caso dell’antenna direttiva sono state effettuate misure nelle due
polarizzazioni (verticale e orizzontale) per ciascuna cella.
Lo studio è stato eseguito in due siti di misura distinti che rispondevano alle condizioni sopra
descritte. Sono inoltre state ripetute misure presso un’altrosito con caratteristiche non coerenti alla
casistica interessata, allo scopo di descriverne i risultati e individuare i limiti ed i vincoli della
procedura.
E) RISULTATI
In figura 3 è mostrata la corrispondenza tra i risultati ottenuti nella misure del Channel Power con
un’antenna Seibersdorf Research mod. PCD 8250 rispetto a quelli relativi all’antenna direttiva.
Quest’ultimi sono stati ottenuti sommando i contributi relativi alle due celle orientando l’antenna di
volta in volta nella loro direzione. In figura 4 è riportata una schematizzazione del confronto. Il
massimo scarto fra le misure effettuate con le due antenne è risultato pari a circa 0.8 dB (ampiamente
inferiore alla incertezza delle catene strumentali).
Figura 2: risultati confronto misure sul valore del Channel Power
6
punti di misura
5
linear fit
Antenna PCD 8250 [-dBm]
4
3
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6
Antenna direttiva ETS [-dBm]
Figura 3: schematizzazione della procedura di confronto
In figura 4 sono mostrati gli analoghi risultati ottenuti eseguendo le misure con un analizzatore di
spettro vettoriale (Tektroniks mod. NetTek YBT250); tale strumento consente di distinguere i contributidelle singole celle individuando i relativi codici di scrambling. I risultati sono relativi al confronto sulle
misure dei CPICH di ciascuna cella, eseguite presso 2 siti distinti utilizzando l’antenna a bassa
direttività e l’antenna direttiva orientata in direzione della sorgente relativa al codice di scrambling
analizzato (figura 5). Il massimo scarto fra le misure effettuate con le due antenne è risultato pari a
circa 0.9 dB (ampiamente inferiore alla incertezza delle catene strumentali).
Figura 4: risultati confronto misure sul valore della potenza associata a ciascun CPICH
B
22 Linear Fit of SC_B
20
18
16
Y Axis Title
14
12
10
8
6
4
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
X Axis Title
Figura 5: schematizzazione della procedura di confronto relativa ai singoli codici di
scamblingCome ultima analisi è stata utilizzata la procedura di misura presso un altro sito presso il quale
l’angolo formato fra le direzioni di puntamento dell’antenna direttiva e le due celle risultava minore
dell’angolo a –10 dB dell’antenna direttiva (15°). I risultati di tale misura effettuata in modalità channel
power con analizzatore supereterodina sono riportati in tabella 2. Come ipotizzato lo scarto, pari a
circa 1.7 dB, risulta maggiore del massimo scarto dei siti di figura 2 (circa il doppio).
Tabella 2: risultati confronto misure sul valore del Channel Power in un sito non idoneo
Misura con antenna Direttiva Misura con antenna “dipolo like”
Angolo compreso fra le celle
[dBm] [dBm]
15° -1.34 -3.05
E) CONCLUSIONI
E’ stata descritta una tecnica per la valutazione dei contributi determinati da due celle adiacenti
UMTS di proprietà dello stesso gestore che utilizzano la stessa portante, per mezzo di una catena
strumentale costituita da un analizzatore di spettro tradizionale e una antenna direttiva.
I risultati determinati sul campo hanno evidenziato una sostanziale corrispondenza con i risultati
ottenuti con l’utilizzo di un’antenna a bassa direttività. La tecnica è ovviamente fortemente
condizionata dalla scelta opportuna del sito di misura e dal posizionamento dell’antenna che deve
essere tale da avere un diagramma di irradiazione idoneo ad individuare il contributo della singola
cella. In tali condizioni la catena utilizzata può costituire un’alternativa all’utilizzo di un analizzatore nel
dominio dei codici (VSA).
Bibliografia
[1] Appendice H Norma CEI 211-10 “ Metodologie di misura per segnali UMTS”, Milano, 2004
[2] http://www.3gpp.org/Puoi anche leggere
