Antenne isotrope (omnidirezionali)

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1 Antenne usate nel sistema GSM (cenni) Antenne isotrope (omnidirezionali)... 1 Area di rispetto... 2 Antenne direzionali... 2 Base Transceiver Station (BTS)... 3 Il Frequency-Hopping... 3 Alcuni dettagli implementativi di una stazione BTS... 4 Antenne omnidirezionali a basso guadagno... 4 Antenna diversity... 4 Il fading... 4 Splitting... 5 Sectoring (antenne direzionali ad alto guadagno)... 5 Tilting... 6 Esempi di possibili configurazioni per una stazione BTS... 6 Settori TIM... 9 BTS mobili Dove sono installate le BTS? Antenne isotrope (omnidirezionali) Le antenne si definiscono isotrope quando sono in grado di indirizzare uniformemente il segnale in tutte le direzioni. Riassumiamo nel seguito alcune formule di interesse. Detta P t la potenza irradiata da una antenna trasmittente e r la distanza dall'antenna, si definisce densità di potenza a distanza r la seguente quantità: S = P t/4pr 2 (watt/m 2 ) Non tutta la densità di potenza S i incidente su un'antenna ricevente riesce ad essere prelevata e posta in uscita dall'antenna (P u). Di questa perdita tiene conto il parametro area equivalente: A eq = P u/s i Tenendo conto dell'attenuazione introdotta dallo spazio libero e dell'area equivalente, possiamo definire una attenuazione di base che tiene conto proprio del rapporto tra potenza irradiata in trasmissione (P t) e potenza in uscita dall'antenna in ricezione (P u): A sl = 10 log P t/p u (db) Le antenne omnidirezionali hanno la classica forma a frusta, con lunghezze in genere comprese tra i 60 e i 300 cm di lunghezza e con un diametro variabile tra 5 e 12 cm. La potenza viene convogliata, verticalmente, entro un angolo di circa 60

2 gradi rispetto al piano perpendicolare all'antenna. Orizzontalmente, come ovvio, la potenza è equamente distribuita lungo tutte le direzioni. L area di rispetto attorno all'antenna, che deve essere interdetta alla popolazione per evitare di esporla a campi elettrici elevati, può essere rappresentata da un cilindro con raggio calcolato in base alle potenze di emissione dei gestori: in Italia, sono 4,8 m. La base del cilindro va posta 1,6 m sotto l'antenna. AArreeaa ddi i rri issppeettttoo Le stazioni radio base sono installate in posizione sempre rialzata dal terreno, almeno 12 metri; le antenne sono posizionate in modo da irradiare il segnale a distanza, limitando il più possibile l'emissione di radiazioni elettromagnetiche nelle aree circostanti accessibili alla popolazione. Attraverso una complicata modellizzazione matematica è possibile calcolare l area di rispetto per ogni configurazione possibile di stazione radio base, sia che utilizzi antenne omnidirezionali sia che utilizzi antenne direttive. E' così possibile valutare con precisione le distanze di protezione sanitaria, cioè il volume attorno alla stazione che deve essere interdetto alla popolazione. Antenne direzionali Nel caso in cui l'antenna non abbia un comportamento isotropo, ma concentri il flusso di potenza entro un cono prestabilito (antenna direzionale), occorre introdurre un nuovo parametro: si definisce infatti guadagno nella direzione a, indicato con G(a), il rapporto tra la potenza che dovrebbe irradiare un'antenna isotropa (P is) per ottenere un campo elettrico E e la potenza che irradia una antenna direzionale (P t) per produrre, lungo la direzione a, lo stesso campo elettrico E. Scriviamo perciò che G(a) = P is/p t P t = G(a)*P is Si parla poi di guadagno dell'antenna riferendosi implicitamente alla direzione di massimo irraggiamento dell'antenna direzionale. Un pannello direzionale ha solitamente le dimensioni seguenti: lunghezza tra 120 e 150 cm, larghezza tra 15 e 30 cm, profondità tra 15 e 20 cm. Al fine di minimizzare l'impatto ambientale, si adottano antenne di dimensioni limitate. Ad esempio, Omnitel utilizza pannelli con le seguenti dimensioni: lunghezza minore di 130 cm, larghezza minore di 25 cm e spessore minore di 10 cm. La potenza viene convogliata, verticalmente, entro un angolo di circa 15 gradi rispetto al piano perpendicolare al pannello; orizzontalmente entro l'angolo di apertura previsto (60, 90 o 180 ). L'apertura verticale del lobo di illuminazione dipende dalla dimensione in altezza del pannello stesso: più è alto più ristretto è l'angolo e viceversa. L area di rispetto attorno al pannello può essere in questo caso rappresentata da un parallelepipedo con le seguenti dimensioni: base posta 1,6 m sotto il pannello, distanza frontale 10 m, distanza laterale 5 m, distanza posteriore 1,6 m. Chiaramente queste misure sono generiche e sovrastimate; esistono dei modelli matematici che permettono la definizione dell'area di rispetto per ogni tipologia di pannello direzionale utilizzato (in base all'angolo di apertura orizzontale: 60, 90 o 180 ). 2

3 usate nel sistema GSM (cenni) Figura 1 - Dimensione antenne, sia a frusta che a pannello. Per fornire una copertura radioelettrica all'interno degli edifici schermati dal segnale esterno, sono state progettate delle apposite antenne per uso indoor. Base Transceiver Station (BTS) Con il termine BTS si indica l'unità funzionale costituita dall'insieme dei transceiver (ricetrasmettitori) e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella. Solitamente ci si riferisce alle BTS anche con il termine Stazioni Radio Base. Le BTS gestiscono la comunicazione radio con le MS esplicando diverse funzioni, quali: Frequency Hopping Discontinuous Trasmission (DTX) Dynamic Power Control (DPC) Antenna Diversity Gestione degli algoritmi di cifratura. Monitoraggio della connessione radio mediante misurazioni sulla qualità dei canali di segnalazione e traffico ed inoltro di queste al BSC affinché le elabori e prenda le necessarie decisioni. I requisiti fondamentali richiesti ad una BTS sono la regolarità di funzionamento, l'affidabilità, la compatibilità e il minimo costo dato il grande numero di BTS dispiegate sul territorio, specialmente nelle aree urbane più estese. IIl l FFrreeqquueennccyy- -Hooppppi inngg Una importante caratteristica della gestione dell'interfaccia radio è il salto di frequenza (frequency hopping, FH). Consiste nel trasmettere messaggi successivi di una stessa comunicazione su frequenze portanti diverse, mantenendo però sempre lo stesso time slot assegnato inizialmente. In questo modo si riescono a combattere efficacemente quei problemi legati direttamente alla propagazione radio, ad esempio fenomeni di fading o battimenti che si possono verificare, temporaneamente, solo su una certa frequenza. Nel caso di implementazione del FH, un canale fisico è identificato, oltre che dal numero di trama (FN) e di timeslot (TS), anche da una traiettoria nel tempo che evidenzia le frequenze portanti su cui si sposta il time-slot ad ogni trama. 3

4 Alcuni dettagli implementativi di una stazione BTS Una stazione radio base è essenzialmente costituita da un traliccio sul quale sono collocate diverse antenne (Fig.3). Se possibile, si tenta di utilizzare edifici e torri già esistenti (Fig.6). Non è raro vedere transceiver GSM installati sui tralicci radiotelevisivi RAI e Mediaset oppure appesi alle cisterne degli acquedotti. Ovviamente il tutto è finalizzato a minimizzare sia i costi di realizzazione che l'impatto ambientale provocato. Antenne omniidiireziionallii a basso guadagno La struttura più semplice prevede solo due antenne (una per ricevere e una per trasmettere) di tipo omnidirezionali a frusta (Fig.4-1), cioè in grado di "illuminare" uniformemente il segnale in tutte le direzioni. La BTS si trova quindi al centro della cella che irradia. Questa soluzione è usata per "coprire" zone a bassa intensità di traffico, ad esempio autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti. Antenna diiversiity Per migliorare la qualità del segnale ricevuto spesso si utilizzano due antenne riceventi, poste a qualche lunghezza d'onda di distanza (un'onda a 900 MHz ha una lunghezza d'onda di 30 cm). Questa tecnica, nota come Antenna diversity o diversità nello spazio, consente di attenuare i problemi connessi al fading. Le antenne possono essere spaziate verticalmente o orizzontalmente; nel primo caso si ha una maggiore facilità di installazione, mentre nel secondo caso si hanno prestazioni superiori. Il fading La propagazione delle onde elettromagnetiche, non avvenendo in uno spazio libero ideale, è influenzata da diversi fenomeni: riflessione (contro ostacoli di dimensioni maggiori della sua lunghezza d'onda), rifrazione (nel passaggio da un mezzo trasmissivo ad un altro, ad es. aria-cemento) e diffrazione. Di particolare interesse il fenomeno della riflessione, che può provocare degli improvvisi e momentanei affievolimenti del segnale ricevuto che vengono indicati come fading (evanescenza). Possono essere di diversi tipi: fading lento, dovuto alla presenza di grossi ostacoli (colline o grossi edifici) che creano delle zone d'ombra; fading veloce, dovuto alla presenza di numerose superfici riflettenti che fanno giungere all'antenna ricevente numerosi segnali, tutti con fasi diverse. Quando questi sono in opposizione di fase determinano un fading profondo; fading di Rice, quando all'antenna giunge un segnale diretto (l'antenna trasmittente è in visibilità ottica) e diversi segnali riflessi. Per ridurre gli effetti del fading vi sono due metodi: Diversità nello spazio (Antenna diversity). Si utilizzano due antenne riceventi, poste a qualche lunghezza d'onda di distanza. Dato che i segnali ricevuti dalle due antenne compiono percorsi diversi è meno probabile che entrambe sia affette contemporaneamente da fading. 4

5 usate nel sistema GSM (cenni) Diversità di frequenza (Frequency diversity). Si trasmette lo stesso segnale a frequenze diverse; infatti se una frequenza è soggetta a fading, ad un'altra frequenza essa non si verifica (cambiano le fasi). E' anche nota come frequency hopping. Splliittiing Per aumentare la capacità di traffico in aree densamente popolate, mantenendo nel contempo la copertura radio con celle grandi nelle aree a bassa densità di traffico, si ricorre allo splitting. Una tecnica che consiste nel suddividere una cella di dimensioni relativamente grandi in un certo numero di celle più piccole. Sectoriing ((antenne diireziionallii ad allto guadagno)) Utilizzando antenne omnidirezionali, lo splitting richiede l'installazione di nuove BTS con un aumento dei costi e dell interferenza di cocanale. Una possibile alternativa è quella di suddividere una cella in un certo numero di settori, ognuno dei quali è "illuminato" da una antenna direttiva (o pannello), cioè un'antenna che non "illumina" uniformemente in tutte le direzioni, ma concentra il flusso di potenza entro un cono prestabilito. Ogni settore può così essere considerato come una nuova cella. L'utilizzo di antenne direzionali riduce le interferenze di cocanale e consente ad uno stesso sito cellulare di illuminare più celle (o settori). Interferenza di cocanale Se la distanza tra due trasmettitori che operano sulle stesse frequenze non è sufficientemente grande, può accadere che ad una MS arrivino, sullo stesso canale, i segnali di due o più celle, dando così origine ad un fenomeno di interferenza noto come interferenza di cocanale. La capacità di un sistema radiomobile è quindi limitata dalla capacità di riutilizzo delle frequenze. Una struttura tipica è quella del sito tricellulare, detto anche clover, in cui si hanno 3 celle per sito, ognuna servita da un'antenna trasmittente e due antenne riceventi direttive (una sola se l'antenna diversity non è implementata); ogni settore ha direzione di puntamento separata di 120 rispetto agli adiacenti. E' utilizzata anche la struttura bicellulare in cui si hanno due celle per sito con le antenne dei due gruppi disposte back-to-back lungo la stessa direzione (con verso di illuminazione opposto). Raramente utilizzata, soprattutto qui in Italia, la configurazione con quattro settori a 90 (cioè con i settori disposti sui lati di un quadrato). Figura 2 Possibili disposizioni dei settori in una stazione BTS 5

6 Tiilltiing L'utilizzo di antenne direttive riduce le interferenze lungo certe direzioni, ma le aumenta nella direzione di massimo irraggiamento. Ad esempio, si deve assolutamente evitare che le antenne di due BTS si "guardino" direttamente. Per ridurre queste interferenze, si introduce un tilt sulle antenne, cioè un'inclinazione verso il basso, di pochi gradi, della direzione di puntamento. Il tilting viene utilizzato anche per regolare il raggio di copertura della cella: più le singole antenne sono tiltate verso il basso, minore sarà il raggio della cella. Il tilting può essere di tipo meccanico, montando un apposito kit per inclinare le antenne, oppure di tipo elettrico (senza nessun intervento meccanico sulle antenne stesse) molto più agevole. Esempi di possibili configurazioni per una stazione BTS Per cercare di rendere più chiare le note sopra esposte, ecco alcuni esempi di possibili configurazioni per una BTS. Figura 3 - BTS in configurazione clover. In figura 3 sono ritratte due stazioni radio base. La BTS a sinistra è installata su un traliccio d'illuminazione di uno stadio, la BTS a destra su un traliccio metallico autoportante. In entrambe si notano i tre settori, ciascuno composto da 3 antenne direzionali a pannello montate orizzontalmente. Una BTS che irradia 3 settori è detta in configurazione clover; entrambe le BTS di fig.3 sono quindi dei clover. Ogni settore "gestisce" una cella. Il numero dei settori complessivamente installati sul sito determina il numero di celle irradiate nel complesso dalla BTS. Ciascun settore è composto da due antenne riceventi esterne e da un'antenna trasmittente al centro. La presenza di due antenne riceventi per settore evidenzia che queste BTS implementano l'antenna diversity. In un settore i pannelli direzionali possono essere installati indifferentemente sia in senso orizzontale (Fig.3) che verticale (Fig.4.3). 6

7 usate nel sistema GSM (cenni) Fig BTS monocellulare Fig BTS bicellulare Fig BTS clover In fig.4.1 è ritratta una BTS monocellulare della rete GSM austriaca A1. Installata su traliccio autoportante, dispone di due antenne omnidirezionali senza antenna diversity. E' il tipo più semplice e meno costoso, ma anche meno performante. In fig.4.2 abbiamo invece un esempio di BTS bisettoriale (bicellulare). Anch'essa installata su traliccio autoportante, dispone di 2 settori disposti back-to-back con antenne direzionali e antenna diversity (3 pannelli per settore). Alcune volte in questa tipologia di BTS le antenne trasmittenti sono poste su un piano rialzato rispetto alle riceventi per evitare interferenze dovute al sovrapporsi dei lobi di illuminazione in ricezione e in trasmissione (180 ). In fig.4.3 è ritratta una BTS trisettoriale clover di tipo a basso impatto visivo ed ambientale, con dispositivi di duplice (configurazione molto utilizzata in Germania e Austria). Dispone di 3 settori, ognuno formato da 2 pannelli montati verticalmente. Utilizza un dispositivo di duplice abbinato a tecniche di diversità di polarizzazione che consente di realizzare i settori con due sole antenne pur continuando ad implementare l'antenna diversity. In questa tipologia, un pannello a doppia polarizzazione è utilizzato sia in trasmissione che in ricezione (ad es. trasmette in polarizzazione verticale e riceve in polarizzazione orizzontale), l'altro invece è utilizzato solo in ricezione in polarizzazione opposta rispetto al primo. Fig.5 - BTS clover con una antenna a doppia polarizzazione per settore. 7

8 In fig.5 infine un esempio di BTS utilizzata per ridurre al massimo l'impatto ambientale, ove necessario per particolari esigenze architettoniche o paesaggistiche. Rinunciando all'antenna diversity è infatti possibile realizzare un settore con una sola antenna a doppia polarizzazione. Come contropartita alle configurazioni degli esempi di fig.4.3 e fig.5, si ottiene un aumento dei costi e uno scadimento delle prestazioni rispetto a BTS clover tradizionali (3 antenne per settore). Il raggio di copertura della cella risulta più piccolo e richiede l'installazione di un numero maggiore di BTS. Se possibile si tenta di utilizzare edifici e torri già esistenti e si tenta di prendere in considerazione la riconversione d uso di vecchi edifici, soprattutto nelle aree urbane (Fig.6). Fig.6 - Esempi di BTS installate sopra i palazzi (roof top). In fig.7 due esempi di BTS installate, in paesi di montagna, con un minimo impatto ambientale sulle facciate di campanili. In questo modo si è risparmiato l'uso di un vistoso e antiestestico traliccio metallico (tra l'altro, in entrambi i casi, presente a poche centinaia di metri ospitante le BTS del gestore concorrente). Fig.7 - Esempi di BTS installate (e mimetizzate) sulle facciate di campanili. In fig.8 sono riportati due splendidi esempi di mimetizzazione possibile per una BTS. A destra tre pannelli installati sulla facciata di una torre antica, a sinistra un sito omnidirezionale installato rooftop su un palazzo antico, con le antenne a ricordare normali dei parafulmini. Si può concludere che, volendolo, sarebbe 8

9 usate nel sistema GSM (cenni) davvero possibile rendere invisibili le installazioni radio delle reti cellulari. Purtroppo i costi maggiori da sostenere ne limitano l'uso solo nei casi veramente indispensabili. Fig.8 - Esempi di BTS straniere perfettamente mimetizzate. Per concludere la carrellata sulle possibili configurazioni di una stazione radio base, ecco in fig.9 un esempio di BTS per uso ferroviario. Disposta lungo la linea, utilizza particolari panneli con un cono di apertura orizzontale estremamente ridotto. Presto ne vedremo installate parecchie lungo le nostre linee, il futuro delle comunicazioni ferroviarie tra terra e bordo è proprio nel sistema GSM. Fig.9 - Esempio di BTS per uso ferroviario installata lungo una linea. Settori TIM La TIM gestisce in Italia sia la rete GSM che la rete analogica E-TACS, la maggior parte dei siti installati risultano quindi condivisi fra i due sistemi. In particolare ogni settore dispone di antenne riceventi condivise e di un'antenna trasmittente dedicata per ciascun sistema. Ciò spiega perchè i settori TIM sono costituiti, nella maggior parte, da quattro e non tre antenne. 9

10 Fig.10 - Dettaglio di un settore di una BTS TIM. Attenzione però, perché non tutti i siti TIM sono condivisi, ne esistono alcuni soltanto GSM o E-TACS. In questo caso i settori sono giustamente composti da 3 antenne. BTS mobili Sia TIM che Omnitel dispongono di un certo numero di stazioni radio montate su postazioni mobili (ad es. semirimorchi) e spostate di volta in volta secondo le necessità. Vengono utilizzate per aumentare la capacità di traffico in occasione di particolare eventi (vedi Gran Premio F1 a Monza) o durante periodi di tempo limitati (vedi località di villeggiatura nel periodo estivo). Si rivelano anche estremamente utili per coprire temporaneamente luoghi sede di eventi naturali catastrofici (incendi, inondazioni, terremoti, trombe d'aria, etc.) in modo da favorire gli aiuti della protezione civile. Dove sono installate le BTS? Le postazioni preferite per le BTS Omnitel sono: il tetto dei fabbricati (sono preferiti alberghi o fabbriche per questioni burocratiche) (Fig.6) le cisterne degli acquedotti le torri di illuminazione degli impianti sportivi (Fig.3-1) i tralicci o i ponti radio televisivi delle emittenti radio o TV locali o più tipicamente della RAI i tralicci autoportanti dedicati se proprio non si trova altra collocazione (Fig.3-2). Le stazioni BTS Omnitel sono installate solitamente: sulle proprietà Omnitel e Olivetti alle uscite dei caselli autostradali o nelle aree di servizio (su tralicci) nel centro storico della città nei pressi della piazza centrale vicino allo stadio e alla stazione FS nelle immediate vicinanze degli aeroporti (solitamente sopra gli uffici) nelle zone industriali o artigianali. 10

11 usate nel sistema GSM (cenni) Per TIM il discorso è un tantino differente: il 90% delle BTS è installato su traliccio nelle proprietà TelecomItalia, solo in casi estremi sono collocate su postazioni a pagamento. Rimangono comunque valide le considerazioni appena esposte per le ubicazioni preferite (proprietà TelecomItalia permettendo). sandry@iol.it sito personale: succursale: 11