Individuazione dei contributi di celle UMTS isofrequenza con analizzatore di spettro supereterodina

Transcript

1 Individuazione dei contributi di celle UMTS isofrequenza con analizzatore di spettro supereterodina A.Barellini 1, D.Palazzuoli 2, G.Licitra 2, A.Pinzauti 2, A.M. Silvi 3 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 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.

2 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 , di cui viene di seguito riportato un breve riepilogo dei dati tecnici. Tabella1: caratteristiche tecniche dell antenna direttiva ETS modello Frequenza [GHz] AF db 2.15 GHz Dimensioni (h,l,p) [cm] 34,26,62.2 Diagramma di irradiazione 2.15 GHz 28 Diagramma di irradiazione - Angolo a 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.

3 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 Antenna PCD 8250 [-dbm] punti di misura linear fit 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 contributi

4 delle 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 22 B Linear Fit of SC_B Y Axis Title X Axis Title Figura 5: schematizzazione della procedura di confronto relativa ai singoli codici di scambling

5 Come 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] 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 Metodologie di misura per segnali UMTS, Milano, 2004 [2]