La misura in banda larga al tempo dell'UMTS
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La misura in banda larga al tempo dell’UMTS Lavore E., Lurgi A., Mossetti S., Nava E. ARPA Lombardia – Dip. Como, Via Cadorna 8, 22100 Como (CO) como@arpalombardia.it L’esigenza di ottenere stime dei livelli di campo elettromagnetico nelle condizioni di massimo esercizio anche in presenza di sistemi UMTS, ha stimolato lo studio di una metodologia che consenta di continuare a beneficiare dei vantaggi della misura in banda larga per gli interventi di controllo di primo livello. A) PREMESSA Con l’avvento dell’UMTS si è ripresentato il problema di effettuare misurazioni che rispondessero all’esigenza di chiarezza della popolazione, pur risparmiando indagini inutilmente approfondite e costose. La letteratura tecnico-scientifica, a partire dalla norma CEI 211-7, indicava per i sistemi TACS, GSM e DCS la possibilità di effettuare la verifica del rispetto dei valori di esposizione applicando coefficienti moltiplicativi funzione del numero massimo di portanti attivabili, nell’ipotesi che il valore di campo elettrico misurato in banda larga fosse quello emesso dal canale di controllo [1]. In occasione di un interconfronto con l’Autorità Elvetica, sulle metodologie di valutazione di conformità alla normativa degli impianti per telefonia mobile [2], si è osservato che la norma tecnica svizzera introduce alcuni coefficienti, utilizzati sia per gli aspetti tecnici sia per quelli giuridico - amministrativi, che dipendono dal rapporto dell’ERP della singola antenna con l’ERP complessivo dell’impianto. B) METODOLOGIA DI CALCOLO 1) CENNO ALL’APPROCCIO ELVETICO La legislazione Elvetica regolamenta le esposizioni alle radiazioni non ionizzanti tramite l’Ordinanza sulla protezione dalle radiazioni non ionizzanti (ONRI) n. 814.710. Per quanto riguarda gli impianti per le telecomunicazioni, vengono definiti dei valori limite dell’intensità di campo elettrico pari a 4,0 V/m per impianti che trasmettono esclusivamente nell’intervallo di frequenza attorno a 900 MHz, 6,0 V/m per impianti che trasmettono esclusivamente nell’intervallo di frequenza attorno a 1800 MHz, 5 V/m per impianti che trasmettono sia alla frequenza di 900 MHz che di 1800 MHz. Analogamente vengono definiti valori limite per le diverse tipologie di sorgenti di campi elettromagnetici. Nel loro complesso l’insieme delle sorgenti non deve superare il valore d’immissione, corrispondente ai livelli di riferimento per l’esposizione della popolazione indicati da ICNIRP 98 [3]. L’Ufficio Federale dell’ambiente, delle foreste e del paesaggio (UFAFP) ha emesso delle raccomandazioni sulle misure effettuate in applicazione dell’ORNI [4], [5]. L’ente di controllo Elvetico effettua per lo più misurazioni in banda stretta dei valori di campo elettrico efficace nei tre intervalli di frequenza GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz ed UMTS, cui applica coefficienti correttivi basati sul rapporto tra l’ERP misurato per il canale di controllo della singola frequenza di trasmissione e l’ERP autorizzato in fase di progetto. L’approccio teorico che impiega fattori moltiplicativi basati sul rapporto tra l’ERP del singolo settore o della singola frequenza di trasmissione con l’ERP totale dell’impianti viene ampiamente utilizzato dal legislatore Elvetico, anche per scopi amministrativi, tra cui, ad esempio, la definizione dell’area su cui effettuare le valutazioni di impatto elettromagnetico o del raggio entro cui un soggetto residente ha diritto di presentare “opposizione” all’installazione dell’impianto. 2) CONSIDERAZIONI METODOLOGICHE Il lavoro svolto in collaborazione col Dipartimento del Territorio del Canton Ticino e presentato in occasione del convegno “Giornate Lariane per l’Ambiente”1 2006, è stato spunto per alcune riflessioni, alla base del presente lavoro: • la normativa italiana introduce valori limite per il campo elettrico da applicare su l’intero intervallo delle radiofrequenze, pertanto l’utilizzo di strumentazione in banda larga rimane il metodo più semplice ed idoneo per verificare in prima battuta l’esistenza di superamenti certi dei valori limite; 1 http://www.giornatelarianeperlambiente.org/
• l’esecuzione di misurazioni in banda stretta dei valori di campo generati dai canali di controllo di impianti per la telefonia mobile è onerosa in termini di impegno di personale e strumentazione; • la variabilità dei valori di campo in funzione dello stato di esercizio dell’impianto rimane un fattore da valutare quando si deve accertare il rispetto di un limite normativo, tuttavia l’ipotesi di attivazione del solo canale di controllo durante la misura in banda larga introdotto dalla norma CEI 211-7 è eccessivamente cautelativa e rende di fatto poco efficace la misura in banda larga in situazioni sempre più frequenti; • non vi sono indicazioni in merito alle misurazioni in banda larga in presenza di impianti UMTS. Di qui l’idea di ripartire il valore di campo ambientale tra le diverse sorgenti, intese come singoli sistemi trasmissivi, in funzione dell’ERP autorizzato in fase di progetto, per ciascuna frequenza di trasmissione e l’applicazione a tale frazione dei criteri di estrapolazione indicati dalla norma CEI 211-10 [6] per le misure in banda stretta. Inoltre alla frazione di campo attribuita ai sistemi UMTS può essere applicata l’appendice H della norma CEI 211-7 [7], consentendo di gestire la prima verifica dei livelli di campo anche in caso di non disponibilità di analizzatori di spettro. 3) ALGORITMO PER L’ESTRAPOLAZIONE DELLE MISURE IN BANDA LARGA La metodologia proposta prevede che si effettui una misura di campo elettrico con adeguata strumentazione in banda larga. Il massimo dei valori efficaci mediati su sei minuti, registrati nel tempo di osservazione, è quindi il valore di campo elettrico misurato Emis. Dalle informazioni tecniche fornite dai gestori degli impianti alle radiofrequenze in fase di progetto, è possibile ricavare l’ERPi per ciascun sistema radiante presente nell’area in esame. L’ERPtot complessivo dell’insieme dei sistemi radianti sarà costituito dalla somma dei singoli ERPi. La frazione di campo elettrico attribuibile nel punto d’indagine al singolo sistema è pertanto: ERPi E Fi = E mis * ERPtot Ai valori Ei così ottenuti sono applicate le formule 7-8 della norma CEI 211-10 e 2 dell’appendice H della norma CEI 211-7, per ottenere il valore di campo nelle massime condizioni di esercizio di ciascun sistema radiante Eesti. Per i coefficienti αPC e αdtx sono stati utilizzati rispettivamente i valori 0.7 e 1. Il valore di campo elettrico nel punto di indagine nelle massime condizioni di esercizio di tutti i sistemi radianti Eest sarà quindi: E est = ∑E 2 esti . Correzione per il fondo dovuto ad impianti di diffusione radio e tv Alcuni punti di misura individuati per la validazione dell’algoritmo di estrapolazione sono collocati nella convalle del Comune di Como, una zona pianeggiante di circa 4 km2, a circa 200 m slm circondata da rilievi pedemontani alti fino a 1000 m slm, ove sono installati numerosi impianti radio e TV. Da una campagna di misure effettuata tra gennaio e febbraio 2006 in 4 diverse posizioni nel Comune di Como in zona convalle, con lo scopo di quantificare i livelli di campo elettromagnetico e di caratterizzare lo spettro alle frequenze della diffusione radiofonica e televisiva, è emerso che il livello di fondo imputabile a tali impianti è pari a 1 V/m all’altezza di 3 m sls e 1,5 V/m all’altezza di 10 m sls. Per la trattazione del fondo radio TV sono quindi state considerate due ipotesi: 1) sottrarre il fondo radio TV alla misura in banda larga ed applicare l’algoritmo di estrapolazione al valore così ottenuto; 2) applicare l’algoritmo al valore misurato in banda larga, nell’ipotesi che l’intero valore di campo elettrico sia attribuibile agli impianti per la telefonia, mentre il fondo radio e TV è sommato ai valori estrapolati dalla misura in banda stretta per gli impianti di telefonia. Poiché lo scopo del presente studio è lo sviluppo di una metodologia di carattere generale, da applicare in assenza di informazioni sulla composizione spettrale del campo elettromagnetico, considerato anche che la trattazione del fondo radio TV deriva unicamente dall’esigenza di confrontare la misura in banda stretta con la misura in banda larga nei casi di studio individuati per la validazione del metodo, si è preferito assumere la seconda ipotesi.
C) VALIDAZIONE DEL METODO ED ESEMPI DI APPLICAZIONE Per definire la casistica degli interventi in cui è applicabile l’approccio descritto, sono stati studiati alcuni casi - campione tramite il confronto con la misura in banda stretta. Le misure in banda larga sono state effettuate con un misuratore palmare di campo elettrico con sonda isotropica con risposta nell’intervallo di frequenze 300 kHz – 3 GHz e sensibilità 1 V/m; le misure in banda stretta sono state effettuate con un analizzatore di spettro palmare, dotato di funzione channel power, con antenna biconica sensibile all’intervallo di frequenze 80 MHz – 3 GHz. L’incertezza estesa associata sia alle misure in banda larga che in banda stretta è pari al 20%. I punti di misura per la validazione del metodo sono stati individuati in prossimità di impianti per la telefonia mobile, per lo più sul lastrico solare di edifici dirimpettai, considerando in primo luogo la complessità dell’impianto stesso, ovvero presenza di soli sistemi GSM 900 MHz e GSM 1800 MHz, del solo sistema UMTS e della combinazione di GSM ed UMTS. Sono quindi stati valutati l’opportunità di considerare i soli settori significativi per direzione di puntamento e l’opportunità di considerare le stazioni radio base entro un raggio di 400 m dal punto d’indagine. 1) DESCRIZIONE CASI DI STUDIO a) Caso di studio “Zelbio”: GSM 900MHz Il caso di studio più semplice è stato individuato in prossimità di un impianto situato in zona rurale, con la presenza di due gestori di telefonia, entrambi operanti nel solo standard GSM 900 MHz. L’impianto di un gestore presenta due settori di puntamento, l’impianto del secondo uno solo. La misura in banda larga ha fornito un valore di campo elettrico pari a 1,43 V/m. Il valore estrapolato secondo la formula 13.2 della norma CEI 211-7 sarebbe 3.69 V/m. In tabella 1 sono riportati le frazioni del campo elettrico misurato in banda larga associate a ciascun settore (EF), i valori di campo elettrico misurati in banda stretta per ciascun canale di controllo (EBS), ovvero alle frequenze comunicate dai gestori stessi, ed i rispettivi valori estrapolati applicando le formule previste dalle norme CEI (EFest, EBSest). Tabella 1 – Caso di studio “Zelbio”: GSM 900 MHz Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) A - settore 1 0.64 0.16 1.36 0.33 A - settore 2 0.76 0.02 1.62 0.05 B 1.02 1.04 2.49 2.54 Totale 1.43 1.06 3.27 2.56 In tabella 2 sono riportati i medesimi valori della tabella 1, calcolati escludendo dall’applicazione dell’algoritmo di estrapolazione il contributo del settore A2, che ha direzione di puntamento opposta al punto di indagine. Tabella 2 – Caso di studio “Zelbio”: GSM 900 MHz con esclusione settori non significativi Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) A - settore 1 0.76 0.16 1.61 0.33 A - settore 2 - 0.02 - 0.05 B 1.21 1.04 2.94 2.54 Totale 1.43 1.06 3.35 2.56 b) Caso di studio “Cavallotti”: GSM 900 MHz E GSM 1800 MHz, con fondo radio/TV Il secondo caso di studio è stato individuato in prossimità della stazione radio base di un gestore di telefonia operante negli standard GSM 900 MHz (3 settori) e GSM 1800 MHz (2 settori), situato nel Comune di Como. I due punti di misura esaminati sono interessati dalle emissioni di due settori, mentre il terzo settore è servito da un’antenna collocata sulla facciata opposta dell’edificio ospitante l’impianto. La misura in banda larga ha fornito valori di campo elettrico pari a 1,93 V/m e 1.89 V/m rispettivamente. I valori estrapolati secondo la formula 13.2 della norma CEI 211-7 sarebbe 2.73 V/m e 2,67 V/m. In tabella 3 sono riportati le frazioni del campo elettrico misurato in banda larga nel secondo punto di misura, associate a ciascun settore (EF); i valori di campo elettrico misurati in banda stretta per ciascun canale di controllo (EBS), ovvero alle frequenze comunicate dai gestori stessi; ed i rispettivi valori estrapolati applicando le formule previste dalle norme CEI (EFest, EBSest).
Tabella 3 – Caso di studio “Cavallotti”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz con fondo radio TV Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) GSM900-settore 1 0.90 0.23 1.17 0.30 GSM900-settore 2 0.61 0.77 0.79 1.00 GSM900-settore 3 0.89 0.02 1.16 0.03 GSM1800-settore 1 0.71 0.49 0.92 0.64 GSM1800-settore 3 1.05 0.04 1.37 0.06 Fondo radio/TV - 1.00 - 1.00 Totale 1.89 1.37 2.46 1.58 In tabella 4 sono riportati i medesimi valori della tabella 3, calcolati escludendo dall’applicazione dell’algoritmo di estrapolazione il contributo del terzo settore, che ha direzione di puntamento opposta al punto di indagine. Tabella 4 – Caso di studio “Cavallotti”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz con fondo radio TV, con esclusione settori non significativi Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) GSM900-settore 1 1.31 0.23 1.71 0.30 GSM900-settore 2 0.88 0.77 1.15 1.00 GSM900-settore 3 - 0.02 - 0.03 GSM1800-settore 1 1.03 0.49 1.35 0.64 GSM1800-settore 3 - 0.04 - 0.06 Fondo radio/TV - 1.00 - 1.00 Totale 1.89 1.37 2.46 1.58 Valori del tutto analoghi si trovano analizzando l’altro punto di misura considerato. c) Caso di studio “Mugiasca”: UMTS ed impianti nel raggio di 400 m Il caso di studio denominato “Mugiasca” è stato individuato in prossimità della stazione radio base di un gestore di telefonia operante nello standard UMTS, con 3 settori, situato nel Comune di Como nella zona di convalle. La misura in banda larga ha fornito un valore di campo elettrico pari a 1.63 V/m. In tabella 5 è riportata la frazione del campo elettrico misurato in banda larga (EF) associata alla Stazione Radio Base; il valore di campo elettrico misurati in banda stretta per il canale di controllo (EBS) ed i rispettivi valori estrapolati applicando le formule previste dalle norme CEI (EFest, EBSest). Nell’area circostante l’impianto sono presenti numerosi altri impianti di telefonia, ed un fondo dovuto ad impianti radio/TV significativo, pertanto l’algoritmo è stato applicato considerando anche tutti i sistemi radianti presenti nel raggio di 400 m (tab. 6). Tabella 5 – Caso di studio “Mugiasca”: UMTS Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) A – UMTS 1.63 2.07 3.74 4.75 Tabella 6 – Caso di studio “Mugiasca”: UMTS ed altri impianti nel raggio di 400 m Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) A - UMTS 0.38 2.07 0.86 4.75 B – GSM, DCS, UMTS 0.69 0.78 1.55 1.74 C – GSM, DCS, UMTS 0.88 0.67 1.51 1.38 D – GSM, DCS, UMTS 1.12 0.58 1.69 0.84 Fondo radio/TV - 1 - 1 Totale 1.63 2.58 2.88 5.40 Si osserva che il valore di campo elettrico del segnale UMTS è un superiore al valore della misura in banda larga, sovrastima probabilmente imputabile all’utilizzo di un’antenna biconica.
d) Caso di studio “Galli”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS ed impianti nel raggio di 400 m Il caso di studio denominato “Galli” è stato individuato in prossimità di un impianto nel Comune di Como ove sono presenti due gestori, uno operante negli standard GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz e UMTS ed uno operante nel solo standard UMTS. La misura in banda larga ha fornito un valore di campo elettrico pari a 1.28 V/m. In tabella 7 sono riportati le frazioni di campo elettrico misurato in banda larga (EF) attribuite a ciascuna frequenza trasmissiva; i valori di campo elettrico misurati in banda stretta per ciascun canale di controllo (EBS), ovvero alle frequenze comunicate dai gestori stessi; ed i rispettivi valori estrapolati applicando le formule previste dalle norme CEI (EFest, EBSest). Nel raggio di 400 m dall’impianto è presente un’altra stazione radio base. Il fondo dovuto ad impianti radio/TV è significativo, pertanto l’algoritmo è stato applicato sia considerando il solo impianto in esame che tutti i sistemi radianti presenti nel raggio di 400 m (tab.8). Tabella 7 – Caso di studio “Galli”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) GSM 0.81 0.98 1.97 2.38 DCS 0.77 0.06 1.55 0.13 UMTS 0.62 0.11 1.42 0.24 Totale 1.28 0.99 2.88 2.39 Tabella 8 – Caso di studio “Galli”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS ed impianti nel raggio di 400 m Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) GSM 0.81 0.98 1.82 2.38 DCS 0.80 0.06 1.39 0.13 UMTS 0.59 0.11 1.01 0.24 Radio/TV - 1 - 1 Totale 1.28 1.41 2.50 2.60 e) Casi di studio “Linati” e “Anzani”: livelli di campo elettrico estremamente bassi Si riportano due esempi di applicazioni a situazioni con livelli di campo elettrico estremamente basso, in cui sono stati utilizzati i valori registrati dallo strumento, benché inferiori alla sensibilità della sonda a banda larga. Il caso di studio “Linati” corrisponde ad un ulteriore punto di misura in prossimità dell’impianto descritto nel caso “Galli”; il valore di campo elettrico misurato in banda larga è pari a 0.66 V/m. In tabella 9 sono riportati i valori complessivi ottenuti dall’applicazione dell’algoritmo di estrapolazione e dalla misura in banda stretta, considerando i soli impianti in situ e gli impianti nel raggio di 400 m, con l’aggiunta del fondo radio e TV. Tabella 9 – Caso di studio “Linati”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) Impianti in situ 0.66 0.50 1.49 1.21 Impianti entro 400 m 0.66 1.16 1.29 1.69 Il caso di studio “Anzani” è posto in prossimità di un impianto UMTS, in una zona dove non sono rilevabili i segnali di altri impianti di telefonia mobile, ma dove è significativo il contributo degli impianti di diffusione radio e TV. Le misure sono state effettuate in due posizioni; i valori di campo elettrico misurato in banda larga sono pari a 0.82 V/m e 0.93 V/m. In tabella 10 sono riportati i valori complessivi ottenuti dall’applicazione dell’algoritmo di estrapolazione e dalla misura in banda stretta nei due punti, considerando la presenza degli impianti radio/TV. Tabella 10 – Caso di studio “Anzani”: GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS Sistema radiante EF (V/m) EBS (V/m) EFest (V/m) EBSest (V/m) UMTS, 1°posizione 0.82 1.03 1.88 1.14 UMTS, 2°posizione 0.93 1.03 2.13 1.14
2) ANALISI DEI RISULTATI L’analisi dei valori proposti come casi di studio mostra in primo luogo che la frazione di campo elettrico associata a ciascuna sistema radiante dell’impianto radio base sulla base della frazione di ERP corrispondente, non è direttamente confrontabile con il valore del canale di controllo misurato in banda stretta poiché l’algoritmo proposto non considera le direzioni di puntamento dei singoli settori. Tuttavia i diversi settori delle stazioni radio base hanno generalmente caratteristiche analoghe, pertanto, con la somma delle varie frazioni, si ottiene un valore composto su caratteristiche medie del sistema radiante. Si osservi che nel caso di studio “Cavallotti” non vi è variabilità tra considerare tutti i sistemi radianti o solo quelli con direzione di puntamento significativa perché i parametri radioelettrici dei settori sono uguali. Una leggera differenza interviene se i settori dell’impianto non sono simmetrici, come nel caso di studio “Zelbio”, che presenta valori confrontabili e cautelativi rispetto a all’analisi in banda stretta. L’algoritmo fornisce valori attendibili anche in presenza di fondo attribuibile ad impianti radio/TV, purché se ne tenga conto nel confronto tra misurazioni in banda larga ed in banda stretta. Il caso di studio “Mugiasca” e le applicazioni proposte nei casi “Linati” e “Anzani” confermano l’applicabilità dell’algoritmo di calcolo anche con sistemi UMTS. In presenza di altre stazioni radiobase nel raggio di 400 m, l’algoritmo è applicabile in base alle considerazioni già presentate per i diversi settori di puntamento, come indicano i casi “Mugiasca” e “Galli”. E’ stato valutato un caso di studio complesso, con impianti di tre gestori su tutte le frequenze. I valori ottenuti con l’applicazione dell’algoritmo di estrapolazione non sono risultati congrui con le misurazioni in banda stretta. In casi complessi rimane necessario un intervento di approfondimento. Complessivamente l’algoritmo proposto è agevolmente applicabile tramite un foglio di calcolo, essendo noti di parametri tecnici di progetto degli impianti, ed è risultato applicabile in sei situazioni, di cui quattro in presenza di sistemi UMTS, su sette casi di studio. D) CONCLUSIONI Una limitazione a tale approccio deriva dal non considerare la diversa distanza dei sistemi radianti che contribuiscono al campo nel punto di indagine e dall’opportunità di inserire nel calcolo sistemi radianti che, seppur prossimi al sito di misura, hanno direzioni principali di irraggiamento che li escludono dall’interessare il sito stesso. Tuttavia il contributo dei settori che non interessano il punto di controllo viene mediato con il contributo dei settori prevalenti e il risultato complessivo riproduce adeguatamente il contesto ambientale. I risultati del confronto tra l’applicazione della metodica proposta e la misura in banda stretta indicano una buona rispondenza dell’approccio proposto allo scopo prefissato e ne incoraggiano l’utilizzo in situazioni di verifica routinaria dei livelli di esposizione. In presenza di livelli di esposizione ampiamente al di sotto del limite normativo consente di garantire una risposta alla popolazione, comunque preoccupata dall’aumentare del numero di impianti, con la chiarezza di un valore riferito alle massime condizioni di esercizio. E) BIBLIOGRAFIA [1] Inversini G., Nava E., Peverelli G., “Studio di un modello a coefficienti moltiplicativi per l’estrapolazione da misure in banda larga del valore massimo di campo elettrico emesso da stazioni radiobase”, atti del convegno Nazionale “Dal monitoraggio degli agenti fisici sul territorio alla valutazione dell’esposizione ambientale”, ARPA Piemonte, ISE, 29-31 ottobre 2003, Torino [2] Bernasconi G., Nava E. “Metodologie e procedure tecniche a confronto”, atti del convegno “Giornate Lariane Per l’Ambiente”, 3-4-5 Novembre 2005, Villa Erba – Cernobbio [3] Linee guida per la limitazione dell’esposizione a campi elettrici e magnetici variabili nel tempo ed a campi elettromagnetici (Traduzione italiana di: Health Physics 74: 494-522 (1998)) [4] “Stations de base puor téléphonie mobile (GSM)”, UFAFP 2002 [5] “Stations de base pour téléphonie mobile (UMTS – FDD)”, UFAFP 2003 [6] Norma italiana CEI 211-10 [7] Norma Italiana CEI 211-7
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