Dimensionamento di celle per sistemi microcellulari alla luce dei limiti normativi imposti dal D. M. 10 settembre 1998 n. 381

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Tale architettura permette di illuminare zone abbastanza piccole con 
potenze dell’ordine dei mW, e quindi abbassando notevolmente i limiti di 
campo che potrebbero raggiungere una persona umana. Nella presente 
architettura cellulare GSM, dove le potenze in gioco sono dell’ordine dei 
Watt, sono stati misurati in  prossimità delle antenne valori di campi che sono 
ben al di sotto dei limiti di legge, valori che tendono ad aumentare, come ci 
avviciniamo all’antenna. Quindi in base ai limiti di emissioni, è possibile 
racchiudere l’antenna all’interno di un volume di rispetto abbastanza 
contenuto dell’ordine di 120 
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m , al di fuori del quale vengono rispettati i 
limiti di legge. Quindi tale volume deve essere posto lontano dalla 
popolazione umana. Però sono stati misurati valori di campo in prossimità del 
telefonino, mentre si parla, che toccano i valori dei 30 V/m, quando il limite 
stabilito dalla legge è di 20 V/m. 
L’architettura microcellulare, se da un lato fa aumentare il numero delle 
antenne, che sono più compatte dell’attuale architettura, da un lato fa sì che 
l’utente si trovi in prossimità della SRB (Stazione Radio Base), e quindi può 
comunicare con la SRB ad una potenza minore, rispetto ad un utente che si 
potrebbe trovare nell’attuale architettura, ad una distanza dell’ordine dei Km, 
con un enorme vantaggio sulla salute umana.  
Compito dell’ingegnere è quella di adattare il nuovo sistema, all’attuale 
sistema cellulare. Quindi nei prossimi paragrafi, verrà spiegato l’attuale 
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architettura GSM, che ci permetterà di introdurre il nuovo sistema 
microcellulare e di analizzare le differenze. Verrà, inoltre analizzato il nuovo 
ambiente microcellulare, illustrando dei modelli di propagazione che ci 
consentono di studiare la potenza del segnale ricevuto in un qualsiasi punto 
del ambiente microcellulare, e quindi di analizzare i livelli di campi che si 
possono avere, con questa  nuova architettura. Infine verranno, mostrati dei 
grafici che illustrano l’andamento del campo elettrico calcolati medianti i 
modelli illustrati in una prefissata zona, che ci permetterà di osservare quali 
sono  i valori di campo in gioco nel sistema microcellulare e di confrontarli 
con quelli stabiliti dalla legge. 
 
 
 
 
 
 
 
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LA STRUTTURA CELLULARE. 
 
Il territorio nazionale, per poter raggiungere l’utente in ogni luogo, è 
stato diviso in celle. In ciascuna cella viene posta un’antenna trasmettitore e 
una o più antenne ricevitori che formano la stazione radio base(RBS), per 
servire gli abbonati di quella cella. 
La forma della cella è determinata dalla potenza dell’antenna e dalla 
configurazione dell’ambiente (palazzi, colline ecc.). In questa maniera si ha 
un efficiente riuso di una risorsa che con l’aumentare degli abbonati potrebbe 
scarseggiare: la frequenza. Infatti, se la potenza con cui si illumina una cella 
risulta essere bassa , è possibile riusare le stesse frequenze ad una distanza che 
risulta essere tanto più piccola, quanto più piccola risulta essere la cella. 
Quindi le frequenze usate in una cella possono essere riusate in altre 
cella, e la distanza tra le celle che usano le stesse frequenze deve essere tale 
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da limitare le interferenze dette di cocanale. Il riuso delle frequenze permette 
di incrementare la capacità del sistema in termini di utenti [1]. 
La forma ottimale della cella è quella esagonale  in fig.1, in quanto in 
questo modo è possibile coprire in maniera uniforme tutto il territorio visto 
che l’esagono risulta essere la forma che approssima meglio il cerchio e che 
risulta essere l’area di copertura ideale.  
La dimensione della cella dipende dall’area in cui la cella è allocata. In 
aree urbane, dove ci sono più utenti rispetto ad aree rurali, c’è la necessità di 
avere più canali, per soddisfare le esigenze della maggior parte di questi. Se il 
numero di canali per celle è fissato, la dimensione della cella in aree urbane 
dovrà essere più piccola delle celle in zone rurali, e dovremmo ridurre la 
potenza della SRB al fine di evitare di ascoltare la conversazione di un altro 
utente (interferenza cocanale) . Questo risulta essere il principio su cui si basa 
il sistema microcellulare che verrà illustrato in maniera più dettagliata in uno 
dei prossimi capitoli [2].  
 
Fig. 1. Possibili celle. 
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In realtà la forma della cella risulta essere irregolare a causa di ostacoli 
che impediscono alle onde elettromagnetiche (o.e.m.) di raggiungere 
determinati punti, soprattutto nelle zone urbane  ove palazzi abbastanza alti 
creano delle zone d’ombra. 
Ecco perché è necessario un approfondito studio sulla propagazione delle 
o.e.m. in ambiente urbano che verrà affrontato nei prossimi capitoli. 
 
1.  ARCHITETTURA DELLA RETE  GSM. 
La rete GSM è suddivisa in  due sistemi: Network Switching System 
(NSS) e Base Station System (BSS). Ognuno di essi è suddiviso in un certo 
numero di entità funzionali dove vengono realizzate tutte le funzioni del 
sistema stesso (fig.2) [3]. 
 
Fig. 2. Architettura della rete GSM 
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Il NSS  o sistema di commutazione contiene  le seguenti unità 
funzionali: 
• Mobile services Switching Center (MSC): componente centrale del 
sottosistema di rete. Esso svolge le funzioni di un nodo di commutazione, 
instaura, controlla, tassa le chiamate da/verso gli utenti presenti nell’area 
geografica da essa servita. Inoltre L’MSC fornisce la connessione con le 
reti fisse: Public State Telephone Network (PSTN), Integrated Services 
Digital Network (ISDN). . Il territorio nazionale risulta essere diviso in 
aree di servizio ciascuna controllata da un MSC . Ogni area di servizio è 
suddivisa in diverse aree di localizzazione (fig.3). Un’area di 
localizzazione è l’area dove viene diffuso un messaggio di chiamata 
(paging message) al fine di trovare l’utente mobile chiamato. A sua volta 
l’area di localizzazione viene suddivisa in un certo numero di celle (fig.4). 
 
 
 
Fig.3. Aree di localizzazione 
 
 
 
     Fig. 4. Struttura cellulare. 
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• Home Location Register:  è un database ove vengono memorizzati in 
modo permanenti dal gestore della rete tutti i dati degli utenti che 
appartengono all’area coperta dall’MSC, nonché i servizi supplementari 
richiesti.  Può essere anche unico per l’intera rete, quindi si possono avere 
delle MSC prive di HLR.  
• Visitor Location Register (VLR): è un database che contiene 
informazioni relative agli utenti presenti temporaneamente nell’area da 
esso servita. Il territorio nazionale risulta essere diviso in aree di servizio 
ciascuna controllata da un MSC, dotato di un proprio VLR. Quando un 
utente si sposta in un’altra area di servizio coperta da un nuovo MSC, 
viene inserito nel VLR di quel MSC e verrà contemporaneamente 
aggiornato l’HLR che memorizza la posizione geografica dell’utente.  
• Authentication Center (AUC): ha il compito di fornire  al HLR i 
parametri di autenticazione e le chiavi di sicurezza, entrambi utilizzati per 
ragioni di sicurezza.   
• Equipmnent Identify Register (EIR): è un database che memorizza gli 
IMEI un codice che identifica unicamente l’apparato mobile. Un IMEI può 
essere invalido quando l’apparato risulta essere rubato. 
 
La Base Station System (BSS)  si occupa della parte radio del sistema e 
di conseguenza contiene tutte le unità che consento di avere la copertura radio 
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di un’area costituita da una o più celle per poter raggiungere i propri utenti 
(Mobile Station, MS). Essa comprende:   
• Base Transceiver Station (BTS) 
• Base Station Controller (BSC) 
 
2.  BASE TRANSCEIVER STATION. 
    Ogni cella ha una BTS che opera su un set di canali radio che sono diversi 
dai canali utilizzati dalle celle adiacenti. Un gruppo di BTS è controllato da 
un BSC . Con il termine BTS o RBS (op. SBR: stazione radio base)  si indica 
l’unità funzionale costituita dall’insieme dei ricetrasmettitori e degli apparati 
che consentono di fornire la copertura radio di una cella. Una stazione radio 
base è costituita da un traliccio sul quale sono montate diverse antenne a 
seconda del tipo di configurazione. In genere si cerca di usare strutture già 
esistenti tipo edifici, torri e addirittura nel sistema microcellulare i pali della 
luce. Le possibili configurazioni di una SRB sono illustrate in figura 4. 
 
Fig. 4 
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La configurazione più semplice prevede due antenne omnidirezionali a 
frusta (fig. 5.1), una utilizzata per ricevere e l’altra per trasmettere, in grado di 
illuminare  uniformemente in tutte le direzioni la cella. Quindi la BTS si trova 
al centro della cella, e questa configurazione viene usata per coprire zone a 
bassa intensità di traffico come autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti. 
 
              
                                Fig. 5.1                                    Fig. 5.2                                      Fig. 5.3 
   
    Per aumentare la capacità di traffico in aree densamente popolate si cerca di 
suddividere una cella in più zone (settori), in genere tre, illuminate da tre 
antenne direttive poste a 120° l’una dalle altre, in maniera da avere una 
copertura omnidirezionale (fig. 5.2). Questa configurazione tipica del sito 
tricellulare viene detto clover. 
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In figura 5.2 notiamo tre pannelli (antenne direttive costituite da schiere 
di dipoli posti all’interno dei pannelli) per settore, di cui uno per trasmettere, e 
gli altri due per ricevere.  
Essi sono posti a distanza pari ad una lunghezza d’onda, implementando 
così in ricezione la tecnica della diversità nello spazio, ossia se il segnale 
ricevuto da una antenna, risulta essere affetto da affievolimenti profondi, 
difficilmente il segnale ricevuto dall’altra antenna che compie un percorso 
diverso, risulterà essere affetto da attenuazioni profonde.  
Anziché tre pannelli per settore, se ne potrebbero trovare quattro, per 
quei gestori che implementano sia la rete GSM sia la rete analogica E-TACS 
dove due sono le antenne in ricezione condivise, e le altre due sono antenne 
dedicate per ciascun sistema.  
Un’altra configurazione usata è quella bicellulare (fig. 5.3), in cui si 
hanno due settori per cella con le antenne disposte back-to-back lungo la 
stessa direzione. Le funzioni principali dell’RBS sono : 
• Effettuare la diversità di antenna 
• Cifratura 
• Allineamento temporale 
• Frequency hopping 
• Trasmissione discontinua 
 
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2.1  Frequency hopping. 
Per migliorare la qualità del segnale viene utilizzata la tecnica della 
diversità in frequenza: se un segnale ad una determinata frequenza è soggetta 
ad affievolimenti profondi (fading), difficilmente sarà affetta da gli stessi 
affievolimenti su un’altra frequenza. Per beneficiare di ciò, durante una 
chiamata viene cambiata la frequenza della portante, scegliendo tra un certo 
numero di frequenze, e quindi, se soltanto una di esse subisce un fading 
profondo, perderemo solo una parte dell’informazione. Con una elaborazione 
numerica del segnale è possibile ripristinare del tutto l’informazione. 
2.2  Trasmissione discontinua (DTX) 
        Nel corso di una normale conversazione, solo il 50% del tempo totale di 
una comunicazione è occupata da informazioni importanti (voce). Per il resto 
il trasmettitore continuerebbe a codificare e inviare il rumore di fondo. La 
trasmissione discontinua sfrutta questo risultato disattivando la trasmissione 
durante  i periodi di silenzio, con ciò si minimizzano le interferenze di 
cocanale e si risparmia potenza consentendo di avere telefonini abbastanza 
compatti. Un vantaggio ancora più evidente, che riguarda la nostra salute, è 
quello che diminuisce l’elettrosmog. Se si pensa che vicino all’antenna dei 
telefonini, dove solitamente giace la testa di un utente, sono stati valutati un 
valore di campo elettrico pari a 30 V/m, valore che supera abbondantemente il 
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valore stabilito dal D.P.R 10 settembre 1998 n.381 di 20 V/m, si può 
immaginare come questa funzione sia molto utile. 
E' stato verificato però che la soppressione di qualsiasi segnale risulta 
sgradevole all'utente ricevente così durante i periodi di non trasmissione, la 
MS del ricevitore introduce del rumore (detto comfort noise) che sia simile a 
quello dell'ambiente del trasmettitore in modo che l'ascoltatore non abbia la 
sgradevole sensazione di interruzione della comunicazione.  
     La più importante funzione di un DTX è la Rilevazione di Attività 
Vocale (Voice Activity Detection). Il sistema deve essere in grado di 
distinguere tra la voce e il rumore di fondo, compito che non è semplice come 
sembra. Se il segnale voce è male interpretato come rumore, il trasmettitore è 
spento e un effetto fastidioso di clipping (letteralmente di taglio) è percepito 
dal ricevente. Se, d'altra parte, un rumore è interpretato troppo spesso come 
voce, l'efficienza del DTX diminuisce drasticamente. 
 
3. BASE STATION CONTROLLER. 
La stazione base di controllo (BSC) governa il funzionamento di uno o 
più BTS (fino a 256), gestisce il settaggio dei canali radio (instaurazione e 
rilascio delle connessioni), fornisce la una unità mobile (MS) e il centro di 
commutazione (MSC). La connessione BTS-BSC, quando non sono co-locati, 
è assicurata da una linea dedicata PCM a 2.048 Mbit/s che mette a 
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disposizione 32 canali a 64 Kbit/s. Dato che la codifica vocale utilizzata dal 
GSM è diversa da quella PCM, occorre un particolare dispositivo, detto 
TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit), che realizzi un adattamento o 
transcodifica dalla codifica GSM (13 Kbit/s; 16 Kbit/s compresa la 
ridondanza per la codifica di linea) in codifica PCM (64 Kbit/s). 
La funzione principale effettuata dalla BSC risulta essere l’handover. 
 
3.1  Handover. 
 Una delle caratteristiche della rete GSM è quella di mantenere attiva la 
comunicazione, sia che l’utente si trovi fermo, sia che stia viaggiando su un 
auto. Quindi può capitare che l’utente spostandosi, vada a finire in una zona 
(cella) coperta da un’altra stazione base, facente capo al MSC e al BSC 
iniziale, o addirittura vada a finire in una cella appartenente ad un MSC e/o 
BSC diverso da quello iniziale. Per garantire una buona qualità del servizio è 
necessario che l’utente sia servito dalla SRB più vicino a lui, o dalla SRB che 
gli dia la migliore qualità del segnale (Non è detto che la  SRB più vicina, sia 
quella che ci da il miglior segnale a causa dell’ambiente di propagazione). 
Esistono quattro tipi differenti di handover nel sistema GSM, che 
coinvolgono il trasferimento di una comunicazione tra:  
• canali (o TDMA time-slot) diversi di una stessa cella, cioè di una stessa 
BTS;  
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• celle diverse ma controllate da una stessa BSC;  
• celle di diverse BSC, ma controllate da uno stesso MSC;  
• celle controllate da diversi MSC. 
I primi due tipi, chiamati handover interni, coinvolgono solo una 
stazione base (BSC). Sono gestiti direttamente dalla BSC senza coinvolgere 
l'MSC, eccetto che per notificargli il completamento del handover, così da 
non sovraccaricare inutilmente la rete.  
Gli ultimi due tipi, chiamati handover esterni, sono invece trattati dagli 
MSC direttamente coinvolti.  Nell'ultimo caso, l'MSC originale, detto anchor 
MSC, continua a rimanere responsabile della maggior parte delle funzioni 
relative alla chiamata in corso mentre gli handover interni (inter-BSC) che 
dovessero eventualmente verificarsi saranno gestiti dal nuovo MSC, detto 
relay MSC. 
Gli handover possono venire richiesti sia da un terminale che da un MSC 
(per bilanciare il carico del traffico). Durante i time-slot di inattività, la 
stazione mobile sonda i canali di broadcast (Broadcast Control Channel), 
segnale inviato continuamente a tutti gli utenti di una determinata cella, che 
contiene informazioni importanti quali l'identità della cella (Cell Identity), 
dell'area di localizzazione (Local Area Code), dell'operatore di rete (MCC e 
MNC, il primo identifica la nazione e il secondo il gestore della rete, oltre ai 
parametri richiesti dall'algoritmo di Frequency-Hopping e di Handover) delle 
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celle geograficamente adiacenti che riesce a ricevere (al massimo di 16 celle). 
Queste informazioni sono passate, almeno una volta al secondo, al BSC che 
prepara una lista delle 6 migliori candidate per un     handover in base alla 
potenza del segnale ricevuto.  Esistono due algoritmi di base utilizzati per 
decidere quando effettuare un handover, entrambi sono     strettamente 
vincolati al controllo della potenza. Spesso la stazione base non sa quando 
una bassa qualità del segnale sia imputabile alle eccessive riflessioni raccolte 
lungo il percorso oppure al terminale mobile che si è avvicinato ai confini di 
copertura della cella. Questo è vero soprattutto quando le celle sono molte e  
geograficamente vicine, ad esempio nelle zone urbane.  
     L'algoritmo Minimum Acceptable Performance dà la precedenza al 
controllo della potenza sugli handover, così quando la qualità del segnale 
degrada oltre un certo valore, il livello di potenza del terminale viene     
aumentato. Se questo aumento non produce nessun beneficio, allora si prende 
in considerazione la possibilità di effettuare per forza un handover. Questo 
metodo è il più semplice e il più comunemente adottato, però, continuare ad 
incrementare la potenza, può portare ad avere un terminale che trasmette con     
elevata potenza, producendo una elevata interferenza di cocanale, fuori dai 
naturali confini della cella a cui è agganciato l’MS (e quindi dentro ad una 
cella adiacente).  
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     L'algoritmo Power Budget invece usa gli handover per mantenere o 
migliorare la qualità del segnale senza  aumentare, o addirittura cercando di 
diminuire, il livello di potenza. Così facendo non si hanno problemi di    
sconfinamenti e viene anche ridotta l'interferenza tra canali. Purtroppo è un 
metodo molto più complicato da implementare.