CAPITOLO 6 SIMULAZIONE DI DIVERSI SCENARI DI IMPLEMENTAZIONE DELLA RETE UMTS

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1 CAPITOLO 6 SIMULAZIONE DI DIVERSI SCENARI DI IMPLEMENTAZIONE DELLA RETE UMTS Lo scopo di questo capitolo è realizzare diverse situazioni di copertura con sistema UMTS di un area quadrata di 100 km 2 e di valutare i livelli di campo elettromagnetico ambientale generati dalle stazioni radio base. Si fissano delle condizioni iniziali, che riguardano i requisiti minimi (bit-rate del servizio, carico della rete, margine di interferenza), la qualità del servizio, la potenza massima di trasmissione delle stazioni radio base, il modello di propagazione. Tramite il bilancio di tratta (link budget) si ricava il raggio di copertura di una cella e dal rapporto tra la superficie totale (100 km 2 ) e l area della singola cella si stabilisce il numero di SRB da installare sul territorio. Il calcolo, data la complessità, presenta inevitabili approssimazioni: è da ritenersi puramente teorico, ma comunque fondamentale per fornire linee guida per la progettazione della copertura. La disposizione sul territorio delle stazioni radio base è pianificata in modo da ottimizzare la copertura: si ottiene una configurazione a scacchiera in cui le distanza tra le SRB sono pari ad una volta e mezzo il raggio di copertura. Per la valutazione dei livelli di campo nell area considerata si utilizzano i programmi NFA2K e Aldemap. Sono stati ipotizzati quattro scenari. I primi tre scenari sono caratterizzati da variazioni nel carico della rete: si desidera ottenere una proiezione su come l incremento di traffico per un determinato servizio può incidere sul campo elettromagnetico presente nell area considerata. Successivamente si sviluppa uno scenario caratterizzato da celle con raggio più piccolo e stazioni radio base di potenza inferiore, mantenendo costanti le caratteristiche globali della rete (capacità totale e tipo di traffico). Lo scopo è valutare se la copertura realizzata con un 124

2 numero di celle maggiore ma di minore potenza determina sul territorio livelli di campo elettromagnetico inferiori. 6.1 GENERALITÀ SULLA COPERTURA CELLULARE DI UN AREA La realizzazione di collegamenti, fisso-mobile o mobile-mobile, tra utenti all interno di un area, copertura cellulare, si attua mediante la suddivisione del territorio in tante porzioni (celle), ognuna delle quali prevede una stazione dedicata. Nel sistema UMTS la potenza della stazione base (Node B) è condivisa da tutte le connessioni all interno della stessa: la potenza disponibile quindi per un certo collegamento varia in base al carico (numero di utenti all interno della cella e bit-rate del servizio richiesto) e dalla posizione degli utenti connessi. Il traffico offerto e la copertura cellulare nella rete UMTS sono dipendenti gli uni dagli altri: l area di copertura di una data stazione base si adatta al traffico presente. Ad esempio quando una cella è pesantemente caricata, l algoritmo di controllo automatico della potenza impone a tutti i terminali di aumentare la potenza trasmessa. Come conseguenza si verifica che i terminali distanti dalla stazione base potrebbero non essere più in grado di connettersi: le chiamate vengono interrotte o il servizio sospeso e la cella diviene effettivamente più piccola. Il fenomeno appena descritto è detto CELL BREATHING ed è tipico dei sistemi cellulari CDMA. La copertura non può essere valutata senza considerare il comportamento effettivo degli utilizzatori (velocità, periodi d attività/silenzio): ciò richiede una simulazione dinamica che tiene nella dovuta considerazione questo aspetto. Tale situazione non si verifica nel sistema GSM dove la rete reagisce a periodi di congestione bloccando il nuovo servizio richiesto che supera la capacità del sistema indipendentemente dalla posizione del terminale. 125

3 Nel sistema GSM la pianificazione della copertura e della capacità sono indipendenti. La prima dipende dall intensità del segnale ricevuto, cioè la copertura è limitata principalmente dall intensità del minimo segnale ricevuto, mentre la capacità dipende dall allocazione delle frequenze. Un importante caratteristica dei sistemi di terza generazione è il fattore di riuso unitario delle frequenze, ossia celle adiacenti hanno la stessa frequenza portante ed in ciascuna cella è utilizzata l intera ampiezza di banda. 6.2 FATTORI CHE INFLUENZANO LA PROPAGAZIONE DEL SEGNALE IN AMBIENTE RADIOMOBILE La propagazione del segnale in ambiente radiomobile risulta complessa poiché non è quasi mai possibile garantire la visibilità radio tra le antenne interessate. Rispetto alla condizione di spazio libero, ossia assenza di ostacoli, in cui il segnale si attenua in maniera inversamente proporzionale alla distanza, si ha un attenuazione che dipende dalla posizione, dalla presenza di ostruzioni sul percorso e di cammini multipli (echi o repliche del segnale trasmesso). Le tre componenti principali di attenuazione rilevabili sono: Un termine dominante funzione della distanza, con andamento d α con α=3,4, che è dovuto oltre all attenuazione di spazio libero anche a fenomeni di riflessione del suolo, alla presenza di vegetazione e ad ogni altra caratteristica media dell ambiente sede della propagazione. Oscillazioni lente (fading lento o shadowing) non trascurabili su scale di distanza dell ordine di alcune lunghezze d onda: l attenuazione è dovuta all ombreggiamento del segnale, causato da ostacoli di varia natura. Ciò può comportare un andamento non monotonamente crescente dell attenuazione con la distanza. Oscillazioni veloci (fading rapido) dovute all interferenza tra le onde corrispondenti a diversi cammini. L andamento 126

4 dell attenuazione in funzione della distanza presenta oscillazioni di ampiezza non trascurabile, confrontabili con la lunghezza d onda. Dato che l utente è dotato di mobilità, si ha che l attenuazione è funzione del tempo, con rapidità di variazione dipendente dalla velocità di spostamento. Fading rapido e lento agiscono contemporaneamente: le variazioni dovute alle ostruzioni di percorso essendo più lentamente variabili nello spazio lo sono anche nel tempo. Si possono considerare quindi un termine principale A(t) di attenuazione a variazione lenta, cui si attribuisce la riduzione di potenza del segnale ed un termine, normalmente trascurabile, H(f,t) che tiene conto delle variazioni rapide. La valutazione del termine A è fondamentale per la pianificazione delle coperture e la stesura di uno schema cellulare sul territorio. Le variazioni del segnale sono spesso causate, per quel che riguarda le fluttuazioni lente, dal fatto che la stazione mobile si muove nelle zone d ombra di colline o edifici: il fading lento è spesso chiamato shadowing. Attraverso misure sperimentali si ha che la componente lenta dell attenuazione può essere ben approssimata da una distribuzione lognormale, con deviazione standard compresa tra 4 e 12 db, dipendente dalla frequenza e dall ambiente. 6.3 PROBABILITÀ DI COPERTURA DI UN AREA In un ambiente omogeneo, in condizioni di propagazione uniformi, si può assumere che il valore medio locale x M del segnale ricevuto dipenda dalla distanza r dall antenna trasmittente secondo r α, con α costante in tutta l area di ricezione considerata. Avendo ipotizzato uno shadowing log-normale, la potenza del segnale ricevuto è espressa in db da una variabile casuale x (dipendente da r α come già detto) caratterizzata da una distribuzione normale con valor medio x M e deviazione standard σ (shadowing log-normale). La densità di probabilità di x è data da: 127

5 2 ( x ) = 1 x p ( x) e M. (6.1) σ 2 π 2 σ 2 Se x 0 è il livello minimo di potenza ricevuta che assicura un livello di segnale accettabile in presenza di fading alla Rayleigh, la probabilità che la potenza ricevuta x ad una certa distanza R superi la soglia prefissata x 0 (Contour Coverage Probability) equivale alla percentuale del perimetro della cella di raggio R caratterizzata da un segnale ricevuto superiore alla soglia detta Location Probability (LP): LP x0 (R)=P[x>x 0 ]= x0 1 1 x0 xm p ( x) dx = erf. (6.2) σ Se il valore di soglia minima è assunto essere uguale al valore mediano della potenza a bordo cella, si ha che solo il 50% delle località sul bordo cella sono coperte. Per ottenere dei valori di LP superiori bisogna assicurare che il valore mediano a bordo cella sia superiore alla soglia minima richiesta di un margine M in db che varia a seconda della LP e della deviazione standard dello shadowing log-normale come mostrato in figura 39. Figura 39 Curve di location probability al variare del margine per diversi valori della deviazione standard σ dello shadowing lognormale indicata in fisura con s 128

6 Il requisito di copertura da soddisfare è relativo all area utile di servizio F u (Area Coverage Probabilità (ACP)), che si calcola in base alla percentuale di punti coperti all interno di una cella generica R. Sia P x0 (cioè P[x>x 0 ]=LP x0 (R)) la probabilità che il segnale superi la soglia x 0 in un elemento d area da: 1 = Px da. (6.3) 2 π R F u 0 Se r = k 10 α log, dove k è una costante in db dipendente dalla R x M 10 potenza trasmessa, dal guadagno e dall altezza dell antenna allora: r x0 k + 10 α log Px 0 = erf R. (6.4) 2 2 σ 2 Se poniamo x0 k β = σ 2 e 10 α log10 e γ = σ 2 si ottiene l espressione di F u data da: F u R 1 1 r = r erf + dr R β γ log. (6.5) 2 2 R 0 In figura 40 è mostrato l andamento dell ACP in funzione del rapporto tra deviazione di shadowing log-normale ed il coefficiente di propagazione riportati sull asse x per diversi valori di LP. Figura 40 andamento di ACP in funzione di σ/α diversi valori di LP 129

7 6.4 BILANCIO DI TRATTA-LINK BUDGET- È un metodo analitico basato sulla conoscenza dei parametri del sistema radioelettrico. Lo scopo del link budget è calcolare la massima attenuazione permessa tra stazione base e mobile per un dato servizio, determinare quindi il raggio di ciascuna cella ed infine il numero di stazioni base richieste per coprire una data area. Il calcolo riguarda sia la tratta up-link che quella down-link: è scelto il raggio che dalle due tratte risulta più piccolo; la condizione sull uplink corrisponde nella maggioranza dei casi alla più stringente. Generalmente l up-link è la tratta limitata in copertura mentre il down-link in interferenza: infatti la stazione base ha tipicamente W (40-46 dbm) di potenza di uscita disponibile mentre il mobile W (21-24 dbm). Gli elementi coinvolti nel bilancio riguardano le caratteristiche della BS, il tipo di servizio, le caratteristiche della MS, margini di interferenza e di attenuazione ANALISI DEI FATTORI COINVOLTI NEL BILANCIO DI TRATTA Il link budget per il sistema UMTS comprende fattori che fanno parte dei requisiti minimi di servizio e altri che rientrano nella qualità del servizio (QoS). Considerando come esempio la tratta up-link, della prima categoria fanno parte: i parametri relativi al trasmettitore (UE, stazione mobile) massima potenza di trasmissione, guadagno dell antenna, attenuazione del corpo umano; i parametri relativi al ricevitore (BS, stazione base)- densità di rumore termico, cifra di rumore del ricevitore, densità di rumore del ricevitore, potenza di rumore ricevitore, margine di interferenza, potenza di interferenza ricevitore, rumore effettivo totale più interferenza, guadagno di processo, E b /N 0 richiesto, sensibilità ricevitore, guadagno di antenna, attenuazione cavi, margine di fast fading. Dalla somma algebrica di tali fattori si ricava un attenuazione di propagazione massima ; l attenuazione di propagazione consentita per il raggio 130

8 della cella si calcola prendendo in esame anche i requisiti di qualità del servizio. Essi sono: la probabilità di copertura (ACP), la deviazione standard del fading lognormale, l esponente del modello di propagazione, il margine di fading lognormale, il guadagno di softhandover e le attenuazioni dovute alla presenza dei cavi e del corpo umano. I parametri relativi alla stazione mobile (UE) in trasmissione sono: La Potenza di trasmissione massima (a) assunta pari a 21 dbm nel caso si utilizzi il terminale per servizio voce e 24 dbm per servizio dati. Il guadagno dell antenna (b) vale 2 dbi in caso di terminale utilizzato per servizio dati e 0 dbi per servizio voce. L attenuazione dovuta alla presenza del corpo umano (c) è fissata pari a 3 db nel caso il terminale sia utilizzato per servizio voce e 0 db per servizio dati. La potenza equivalente irradiata da un radiatore isotropo (EIRP) (d) si ricava sommando i termini descritti precedentemente. d = a+b-c Per quanto riguarda la stazione base: - La densità spettrale di rumore all ingresso del ricevitore (g) è ricavabile dalla formula: N rf =k T+NF dove k T è la densità di rumore termico pari a -174 dbm/hz, con k costante di Boltzmann pari a J/K e T temperatura in gradi Kelvin (T=290 K); NF è la cifra di rumore del ricevitore della stazione base, scelta pari a 5 db. - La potenza di rumore del ricevitore (h) è pari a: - h=g+log( ) [dbm]. - Il margine di interferenza (i) deve corrispondere al valore di noise rise (carico) previsto, ossia all incremento di rumore dovuto all interferenza in aggiunta al rumore termico. Il 131

9 margine di interferenza di 1 db corrisponde ad un carico (ρ) del 20%; 3 db corrispondono ad un fattore di carico del 50%; 6 db corrispondono ad un fattore di carico del 75%. Il margine di interferenza è legato al fattore di carico attraverso la seguente formula: i = -10 log(1-ρ) (6.6) - La potenza di interferenza del ricevitore (j) si calcola dall espressione: - j=10 log(10^(h+i)/10-10^(h/10)) [dbm]. - Il rumore effettivo totale + interferenza (k) vale: - k=10 log(10^(h/10)+10^(j/10)) [dbm]. - Il guadagno di processo (l) vale: - l=10 log(chip rate/bit rate) [dbm]. dove il chip-rate è pari a 3840 kbit/s e il bit-rate varia a seconda del servizio richiesto. - E b /N 0 richiesto (m) è il rapporto tra la densità spettrale di potenza del segnale utile e quella del segnale interferente, dopo le operazioni di despreading. Per la scelta del parametro si è fatto riferimento alle specifiche ETSI TR V4.0.0 ( ). - La sensibilità del ricevitore (n) si ottiene dalla somma algebrica dei termini sopraindicati: n=m-l+k [db] ed indica la sensibilità richiesta al ricevitore in determinate condizioni di rumore termico, interferenza, tipo di servizio e qualità del segnale. Il guadagno di antenna della stazione base (o) tipicamente è dell ordine di 18 dbi per antenne settoriali, e 11 dbi per antenne omnidirezionali. Il margine di fast fading (margine di controllo di potenza) (q) è aggiunto alla potenza di trasmissione della stazione mobile per garantire il corretto funzionamento del fast power control. Nel calcolo semplificato può essere trascurato. 132

10 L attenuazione di propagazione massima (r) è pari a: r=d-n+o-p-q [db] dove q (fast fading) è nel nostro caso trascurato. L attenuazione massima dipende quindi dalle caratteristiche dell emettitore, del ricevitore (sensibilità) e della stazione base. Probabilità di copertura [%] viene fissata a priori e rappresenta la percentuale di punti, all interno dell area di servizio, nei quali si vuole garantire la copertura. Nel nostro calcolo fissiamo 80%. Deviazione standard fading log-normale è legata alla propagazione del segnale nell ambiente; nel nostro caso assumiamo un valore di 11 db. L esponente del modello di propagazione dipende dal tipo di modello adottato, nel nostro caso Okumura-Hata con esponente pari a 3.5 per i primi tre scenari e 4 per il 4^ scenario. Il margine di fading log-normale (s) si ricava dal grafico di figura 39. Fissati la probabilità di copertura, la deviazione standard fading log-normale e l esponente del modello di propagazione, dalla figura 40 si ottiene la CCP e quindi dalla figura 39 il margine di fading log-normale. Nelle condizioni imposte precedentemente la CCP risulta essere pari al 60% ed il margine di fading log-normale pari a 2.2 db nei primi tre scenari e 2.9 nel 4^ scenario. Attenuazione di propagazione consentita per la cella (v) è pari a v=r-s [db] e dunque dipende dall attenuazione massima e dal fading lognormale. 133

11 6.5 MODELLO DI PROPAGAZIONE E LIMITI DI VARIABILITÀ Il modello di propagazione fornisce una stima del valore mediano del segnale nell ambiente considerato e permette di convertire l attenuazione di propagazione consentita per la cella, espressa in db, nel raggio massimo della cella in km. I modelli sono classificati in: Modelli empirici (Okumura-Hata). Utilizzano pochi parametri derivati da estese campagne di misura. Modelli statistici (Walfish-Ikegami). Possono fornire previsioni a banda larga e a banda stretta. Modelli semi-deterministici (Berg). Utilizzano pochi parametri topologici e di collegamento. Modelli deterministici (Ray-Tracing). Forniscono previsioni accurate sia a banda stretta che a banda larga. Nei calcoli svolti si usa il modello di Okumura-Hata, semplificato in base alle nostre condizioni. É stato sviluppato a partire da misure utilizzate da Okumura a Tokio nel 1968: la formula è stata poi fornita da Hata nel Essa fornisce una stima del valore mediano del campo funzione della distanza dall antenna e di altri parametri di sistema secondo la seguente espressione dell attenuazione: L(dB)= logf logh BS -a(h MS )+( logh BS ) logr (6.7) f = frequenza in MHz; h BS = altezza equivalente della BS in m (si tiene conto dell irregolarità del terreno); a(h MS ) = parametro legato all altezza sul terreno della MS, solitamente si trascura. R = raggio della cella in km. I limiti di applicabilità sono: h BS 30 m e R 1 km. 134

12 6.6 CALCOLO DEL RAGGIO DELLA CELLA IN DIVERSE SITUAZIONI Data la complessità del calcolo, dovuto principalmente all importanza delle previsioni di traffico che richiedono strumenti di simulazione dinamica, bisogna introdurre delle semplificazioni per il nostro modello. Si considera uno scenario ideale con celle aventi tutte le stesse caratteristiche ed una distribuzione del carico uniforme tra tutte le celle. Per quanto riguarda l ambiente di propagazione si considera un territorio uniforme con caratteristiche simili allo spazio libero, dove l attenuazione principalmente è dovuta alla distanza. Si suppone inoltre che in un certo istante (snapshot) il servizio utilizzato sia lo stesso, caratterizzato da un unico bit-rate, sia in uplink che in downlink e dal fatto che gli utenti si trovano all aperto e fermi. Si fissano le condizioni di carico della rete, le potenze di trasmissione delle stazioni base e la probabilità di copertura. I valori di E b /N 0 sono presi dalle specifiche ETSI TR V4.0.0 ( ). Si utilizza il modello di propagazione di Okumura-Hata in una forma semplificata fissando f c = 1950 MHz e h BS =30 m, quindi da: L(dB)= logf logh BS +( logh BS ) logr, si ottiene: L= log 10 R (6.8) Nelle successive tabelle viene presentato il calcolo del link budget per tre diverse situazioni di carico della rete, considerando il servizio con bit-rate di 144 kbit/s. Lo scopo è di valutare l impatto della crescita del traffico sul numero di stazioni radio base da installare sul territorio e quindi sui livelli di campo a cui è esposta la popolazione. 135

13 1^ SCENARIO TRATTA UPLINK CARICO (ρ) AL 20% (margine di interferenza 1 db) TRASMETTITORE MOBILE (UE) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [dbi] B Attenuazione corpo umano [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (Node B) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) 136

14 Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K=10*log(10^(H/10)+ K 10^(J/10)) Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 3.1 M Sensibilità ricevitore [dbm] N N=M-L+K Guadagno antenna stazione base [dbi] 18 O Attenuazione cavi nella BS [db] 2 P Attenuazione di propagazione [db] R R=D-N+O-P Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale 11 [db] Esponente del modello di propagazione 3.5 Margine di fading log-normale [db] 2.2 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=153.1 db. R=3.3 km. 137

15 TRATTA DOWNLINK CARICO (ρ) AL 20% (margine di interferenza 1 db) STAZIONE BASE (Node B) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [dbi] B Attenuazione cavi [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (UE) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) K=10*log(10^(H/10)+ 10^(J/10)) 138

16 Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 4.5 M Sensibilità ricevitore [dbm] N N=M-L+K Guadagno antenna stazione mobile [dbi] 2 O Attenuazione di propagazione [db] 169 R R=D-N+O Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 3.5 Margine di fading log-normale [db] 2.2 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=166.8 db. R = 8.1 km. La tratta uplink presenta un raggio inferiore ed è perciò la tratta limitante. 139

17 2^ SCENARIO TRATTA UPLINK CARICO (ρ) AL 50% (margine di interferenza 3 db) TRASMETTITORE MOBILE (UE) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [dbi] B Attenuazione corpo umano [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (Node B) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) K=10*log(10^(H/10)+ 10^(J/10)) 140

18 Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 3.1 M Sensibilità ricevitore [dbm] N N=M-L+K Guadagno antenna stazione base [dbi] 18 O Attenuazione cavi nella BS [db] 2 P Attenuazione di propagazione [db] R R=D-N+O-P Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 3.5 Margine di fading log-normale [db] 2.2 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=151.1 db. R = 2.9 km 141

19 TRATTA DOWNLINK CARICO (ρ) AL 50% (margine di interferenza 3 db) STAZIONE BASE (Node B) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [db i ] B Attenuazione cavi [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (UE) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) K=10*log(10^(H/10)+ 10^(J/10)) 142

20 Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 4.5 M Sensibilità ricevitore [dbm] -106 N N=M-L+K Guadagno antenna stazione mobile [db i ] 2 O Attenuazione di propagazione [db] 167 R R=D-N+O Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 3.5 Margine di fading log-normale [db] 2.2 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=164.8 db. R = 7.1 km. La tratta uplink presenta un raggio inferiore ed è perciò la tratta limitante. 143

21 3^ SCENARIO TRATTA UPLINK CARICO (ρ) AL 75% (margine di interferenza 6 db) TRASMETTITORE MOBILE (UE) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [db i ] B Attenuazione corpo umano [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (Node B) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) 144

22 Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K=10*log(10^(H/10)+ K 10^(J/10)) Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 3.1 M Sensibilità ricevitore [dbm] N N=M-L+K Guadagno antenna stazione base [db i ] 18 O Attenuazione cavi nella BS [db] 2 P Attenuazione di propagazione [db] R R=D-N+O-P Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 3.5 Margine di fading log-normale [db] 2.2 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=148.2 db. R = 2.4 km. 145

23 TRATTA DOWNLINK CARICO (ρ) AL 75% (margine di interferenza 6 db) STAZIONE BASE (UE) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [dbi] B Attenuazione cavi [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (Node B) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) K=10*log(10^(H/10)+ 10^(J/10)) 146

24 Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 4.5 M Sensibilità ricevitore [dbm] N N=M-L+K Guadagno antenna stazione mobile [dbi] 2 O Attenuazione di propagazione [db] R R=D-N+O Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 3.5 Margine di fading log-normale [db] 2.2 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=161.7 db. R = 5.8 km. La tratta uplink presenta un raggio inferiore ed è perciò la tratta limitante. 147

25 6.7 CALCOLO DEL NUMERO DI STAZIONI RADIOBASE NECESSARIE PER COPRIRE L AREA Per determinare il numero di stazioni radio base necessarie per coprire un territorio, si divide l area totale per l area di ogni singola cella. La tassellazione viene fatta con esagoni regolari, dato che la legge di attenuazione sul territorio è uniforme e le linee equisegnale sono circonferenze concentriche, l esagono di riferimento è inscritto nella circonferenza di diametro uguale al raggio di copertura precedentemente calcolato. L area totale da coprire è 100 km 2. Nei calcoli gli arrotondamenti sono fatti tutti per eccesso. Nel 1^ scenario il raggio di copertura della cella risulta 3.3 km. Per calcolare l area dell esagono inscritto nella circonferenza di diametro equivalente al raggio di copertura della cella si utilizza la seguente formula, con l = R/2 = 1.7 km: Area esagono = 3 l 2 sin(60 ) = 7.5 km 2 N (celle) = 100/7.5 = 14. Nel 2^ scenario il raggio di copertura è 2.9 km, l = 1.5 km quindi: Area esagono = 3 l 2 sin(60 ) = 4.4 km 2 N (celle) = 100/4.4 = 23 Nel 3^ scenario il raggio di copertura è 2.4 km, l = 1.2 km quindi: Area esagono = 3 l 2 sin(60 ) = 3.7 km 2 N (celle) = 100/3.7 = 27. Il numero di stazioni base è pari al numero di celle diviso tre (cioè tre antenne settoriali, una ogni 120 ). 1^ scenario: N (SRB) = 14/3 = 5. 2^ scenario: N (SRB) = 23/3 = 8. 3^ scenario: N (SRB) = 27/3 = 9 148

26 QUARTO SCENARIO In questo caso si fissa un raggio di copertura, 1.5 km, equivalente ad un esagono di lato 0.75 km e si determina il margine di interferenza che deve avere la cella in modo tale da mantenere la capacità totale della rete equivalente a quella del primo scenario. La potenza delle SRB viene posta a 30 dbm (1 W). Il rapporto E b /N 0 viene fissato a 2.4 db, l esponente del modello di propagazione è posto uguale a 4. Si vuole ottenere una copertura equivalente alla prima realizzata (1 scenario celle con carico al 20%), in cui si sono ricavate 5 SRB con celle di lato pari a 1.65 km (il calcolo è svolto nel paragrafo 6.7) per coprire la superficie di 100 km 2. L area di ciascuna cella nel quarto scenario risulta: 1.5 km 2. N(celle) = 100/1.5 = 67 N(SRB) = 23. Dato che per il servizio scelto la pole capacity è del 20%, il numero di utenti per SRB del primo scenario è N*ρ, in cui N è il numero massimo di utenti per il servizio scelto. Approssimativamente N*ρ (numero di utenti) risultano mediamente ripartiti tra 23/5 SRB. Quindi il fattore di carico ρ si ricava da: 5 : ρ = 23 : 20% ρ = 5%. Il margine di interferenza risulta pari a: I = -10 log(1-ρ) = 0.2 db. Le condizioni sulla qualità del servizio impongono una probabilità di copertura (ACP) dell 80%; il margine di fading log-normale risultante è 2.9 db. Viene riportato il calcolo del link budget come verifica di tutte le ipotesi: date le approssimazioni ci si aspetta che il valore del raggio di copertura non coincida perfettamente con quello fissato come condizione iniziale. La formula di Okumura-Hata viene modificata, dato che h BS diventa pari a 5 m. Si ottiene perciò: L = log 10 R. (6.9) 149

27 4^ SCENARIO TRATTA UPLINK CARICO (ρ) AL 5% (margine di interferenza 0.2 db) TRASMETTITORE MOBILE (UE) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [dbi] B Attenuazione corpo umano [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (Node B) Densità di rumore termico [dbm/hz] (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H Margine di interferenza [db] (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J G=E+F H=G+10*log( ) J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) 150

28 Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] (Total effective noise+interference) K=10*log(10^(H/10)+ K 10^(J/10)) Guadagno di processo [db] 14.3 L L=10*log(3840/144) E b /N 0 [db] 2.4 M Sensibilità ricevitore [dbm] N N=M-L+K Guadagno antenna stazione base [db i ] 18 O Attenuazione cavi nella BS [db] 2 P Attenuazione di propagazione [db] R R=D-N+O-P Probabilità di copertura [%] 80% Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 4 Margine di fading log-normale [db] 2.9 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=153.9 db. R = 1.58 km. 151

29 TRATTA DOWNLINK CARICO (ρ) AL 5% (margine di interferenza 0.2 db) STAZIONE BASE (Node B) Potenza di trasmissione max [dbm] A Guadagno antenna [dbi] B Attenuazione cavi [db] C EIRP [dbm] D D=A+B-C RICEVITORE (UE) Densità di rumore termico [dbm/hz] -174 (Thermal noise density) E Cifra di rumore [db] 9 (Noise Figure) F Densità di rumore [dbm/hz] (Noise Density) -165 G=E+F G Potenza di rumore ricevitore [dbm] (Receiver noise power) H=G+10*log( ) H Margine di interferenza [db] 0.2 (Interference margin) I Potenza di interferenza [dbm] (Receiver interference power) J J=10*log(10^(H+I)/10-10^(H/10)) 152

30 Rumore effettivo totale+interferenza [dbm] K (Total effective noise+interference) Guadagno di processo [db] L E b /N 0 [db] K=10*log(10^(H/10)+ 10^(J/10)) 14.3 L=10*log(3840/144) 1.9 M Sensibilità ricevitore [dbm] N Guadagno antenna stazione mobile [dbi] N=M-L+K 2 O Attenuazione di propagazione [db] R db R=D-N+O Probabilità di copertura [%] 80 % Deviazione standard fading log-normale [db] 11 Esponente del modello di propagazione 4.2 Margine di fading log-normale [db] 2.9 S Attenuazione di propagazione consentita per il raggio della cella [db] V=R-S Attenuazione tramite formula di Okumura Hata: L= log 10 (R)=155.1 db, quindi R = 1.7 km. La tratta uplink presenta un raggio inferiore ed è perciò la tratta limitante. 153

31 6.8 VALUTAZIONE DEI LIVELLI DI CAMPO TRAMITE I PROGRAMMI NFA2K E ALDEMAP Il programma NFA2K fornisce un calcolo per la previsione dei livelli di campo elettromagnetico presenti nelle vicinanze di antenne che irradino segnali di frequenza compresa tra 30 MHz e 3 GHz. Sono inseriti in input i dati relativi ai sistemi radianti che costituiscono le SRB: potenza massima di trasmissione, frequenza, tipo di antenna, rotazione traliccio, altezza sistema radiante. Aldemap permette di rappresentare i livelli di campo, calcolati tramite NFA2K, generati da più SRB, al massimo 100 sistemi su un lato di 10 km, dislocate su un territorio di superficie massima pari a 100 km 2. L antenna utilizzata in tutte le configurazioni è la Kathrein con guadagno pari a 18.5 dbi, frequenza di trasmissione pari a 1950 MHz e tilt elettrico pari a 2. Per i primi tre scenari l illuminazione del territorio avviene dall alto, ossia le antenne sono installate a 30 m di altezza, nel 4^ scenario le antenne sono appoggiate agli edifici, ad altezza di 5 m. Nella realizzazione reale di copertura non si adotterebbe lo stesso tipo di antenna: la semplificazione è giustificata dallo scopo della simulazione che è il confronto tra ambienti omogenei. I tre impianti che costituiscono la SRB sono orientati rispettivamente a 90, 210, 330, considerando come riferimento il nord geografico. Le SRB sono collocate ad una distanza reciproca di 1.5 R (R = raggio di copertura) a scacchiera, in modo da ottimizzare la copertura del territorio. Di seguito sono riportate le rappresentazioni dei tre scenari con i livelli di campo su tre altezze rispettivamente di 25 m, 13 m e 5 m. È riportata inoltre la singola postazione con i relativi livelli di campo calcolati a diverse altezze. La risoluzione adottata è pari a 5 m, in base alla capacità di calcolo del computer. 154

32 ^ SCENARIO Figura 41 1^ scenario ad altezza di 25 m Legenda colori: COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) 4 <E< 3 2 <E< 3 1 <E < 2 155

33 Figura 42 1^ scenario ad altezza 13 m Ad altezza di 5 m i livelli di campo risultano inferiori a 1 V/m 156

34 ^ SCENARIO Figura 43 2^ scenario altezza 25 m Legenda colori: COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) 4 <E< 3 2 <E< 3 1 <E < 2 157

35 Figura 44 2^ scenario altezza 13 m Ad altezza di 5 m i livelli di campo risultano inferiori a 1 V/m. 158

36 ^ SCENARIO Figura 45 3^ scenario ad altezza di 25 m LEGENDA COLORI: COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) 4 <E< 3 2 <E< 3 1 <E < 2 159

37 Figura 46 3^ scenario ad altezza 13 m Ad altezza di 5 m i livelli di campo risultano inferiori a 1 V/m. 160

38 IMMAGINE POSTAZIONE A DIVERSE ALTEZZE PER I PRIMI TRE SCENARI Figura 47 livelli di campo ad altezza di 29m Figura 48 livelli di campo ad altezza di 25m Figura 49 livelli di campo ad altezza di 13m Figura 50 livelli di campo ad altezza di 5m LEGENDA COLORI COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) E> 6 6 <E< 5 5 <E< 4 4 <E< 3 2 <E< 3 1 <E < 2 161

39 VOLUME DI RISPETTO IMPIANTO CON POTENZA DI TRASMISSIONE DI 20 W Figura 51 Volume di rispetto per antenna K con Pout di 20 W Dimensioni volumetriche a 6 V/m Xmax 34.9 m Ymax 30.5 m Zmax 31.4 m Xmin 23 m Ymin 31.9 m Zmin 27.1 m Osservazioni: Le immagine delle singole postazioni sono realizzate tramite NFA2K. Per i primi tre scenari le postazioni sono identiche hanno tutte potenza di 20 W e sistemi radianti orientati con gli stessi angoli. Dalle figure riportate sopra si nota che i livelli di campo attorno alle stazioni radio base non interagiscono tra di loro per le distanze considerate: ossia nel primo scenario la distanza tra le SRB risulta pari a 4.95 km; nel secondo scenario risulta pari a 4.55 km e nel terzo scenario risulta pari a 3.6 km. Quindi se si ipotizza di avere una distribuzione di edifici attorno alla stazione radio base, l esposizione della popolazione dipende unicamente dal campo elettromagnetico generato dal singolo impianto. Naturalmente l esposizione è maggiore ad altezze prossime a quelle a cui si trova l antenna trasmittente, dato che le onde elettromagnetiche si propagano in maniera rettilinea ed il tilt è 162

40 stato scelto pari a 2. Nei primi tre scenari l antenna è posta a 30 m di altezza, quindi i livelli di campo più elevati si rilevano ad altezze di 29 m, ma già a 25 m si riscontrano al massimo 4 V/m, a 13 m si rilevano 3 V/m ed a 5 m i livelli di campo sono inferiori a 2 V/m. In tabella 35 sono riportati i valori di campo elettrico in funzione della distanza dall impianto a 29 m di altezza. Tabella 34 VALORI DI CAMPO ELETTRICO DISTANZE (m) (V/m) 5 <E< <E< <E< <E< <E<

41 ^ SCENARIO Figura 52 4^ scenario ad altezza di 5 m Legenda colori COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) E> 6 5 <E< 6 4 <E< 5 3 <E< 4 2 <E< 3 1 <E < 2 164

42 Figura 53 4^ scenario ad altezza di 3.5 m 165

43 Figura 54 4^ scenario ad altezza di 1.5 m 166

44 IMMAGINE POSTAZIONE A DIVERSE ALTEZZE PER IL 4^ SCENARIO Figura 55 Livelli di campo ad altezza di 5m Figura 56 Livelli di campo ad altezza di 3.5m Figura 57 Livelli di campo ad altezza di 1.5 m Legenda colori COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) E> 6 5 <E< 6 4 <E< 5 3 <E< 4 2 <E< 3 1 <E < 2 167

45 RAPPRESENTAZIONE DEL VOLUME DI RISPETTO Figura 58 Volume di rispetto per antenna K con Pout DI 1 W DIMENSIONI VOLUMETRICHE A 6 V/m Xmax 7.5 m Ymax 6.8 m Zmax 5.3 m Xmin 5.2 m Ymin 6.8 m Zmin 4.4 m CONFRONTO TRA LIVELLI DI CAMPO ELETTICO PRODOTTI DA SRB A 1 W E A 20 W A DIVERSE ALTEZZE DAL SUOLO Confrontiamo i livelli di campo elettromagnetico generati dalle due postazioni, che hanno rispettivamente potenza massima di trasmissione di 30 dbm (1 W) e 43 dbm (20 W), a diverse altezze. Il primo rilevamento è fatto a 15 m, corrispondente all altezza massima degli edifici in ambiente urbano; il secondo a 10 m, altezza media degli edifici in ambiente urbano; il terzo a 5 m, altezza del centro elettrico dell impianto ed infine l ultimo a 2 m. Legenda colori COLORE ASSOCIATO CAMPO ELETTRICO E (V/m) E> <E< <E< 2 1 <E< <E< 1 E <

46 6.8.5 PRIMO CONFRONTO: ALTEZZA 15 m Figura 59 livelli di campo per SRB a 1 W Figura 60 livelli di campo per SRB a 20 W Tabella 35 Punti di controllo SRB 1 W Tabella 36 Punti di controllo SRB 20 W PUNTI H X ANGOLO VALORE PUNTI H X ANGOLO VALORE (m) (m) AL NORD CAMPO (m) (m) AL NORD CAMPO GEOGRA ELETTRICO GEOGRA ELETTRICO FICO (V/m) FICO (V/m)

47 Osservazioni: Dai valori riportati in tabella 35 si nota che la SRB con potenza di trasmissione di 1 W genera un campo elettrico che assume ovunque valori inferiori a 0.5 V/m, il cui valor medio sul territorio, calcolato considerando i punti riportati in figura 59, è 0.08 V/m. La SRB con potenza di trasmissione di 20 W crea campi che raggiungono, tra 15 m e 20 m di distanza, valori compresi tra 1.5 V/m e 1 V/m: il valor medio sul territorio, calcolato considerando i punti riportati in figura 60, è 0.4 V/m. 170

48 6.8.6 SECONDO CONFRONTO: ALTEZZA 10 m Figura 61 livelli di campo per SRB a 1 W Figura 62 livelli di campo per SRB a 20 W Tabella 37 Punti di controllo SRB 1 W Tabella 38 Punti di controllo SRB 20 W PUNTI H X ANGOLO VALORE PUNTI H X ANGOLO VALORE (m) (m) AL NORD CAMPO (m) (m) AL NORD CAMPO GEOGRA ELETTRICO GEOGRA ELETTRICO FICO (V/m) FICO (V/m)

49 Osservazioni: Si nota, dai dati riportati in tabella 37, che la SRB con potenza di trasmissione di 1 W genera ad altezza di 15 m un campo elettrico che assume ovunque valori inferiori a 0.5 V/m, il cui valor medio sul territorio, calcolato considerando i punti riportati in figura 61, è 0.2 V/m. Attorno alla SRB con potenza di trasmissione di 20 W è presente un valore di campo inferiore ad 1 V/m: il valor medio sul territorio, calcolato considerando i punti riportati in figura 62, è 0.3 V/m. 172

50 6.8.7 TERZO CONFRONTO: ALTEZZA 5 m Figura 63 livelli di campo per SRB a 1 W Figura 64 livelli di campo per SRB a 20 W Tabella 39 Punti di controllo SRB 1 W Tabella 40 Punti di controllo SRB 20 W PUNTI H X ANGOLO VALORE PUNTI H X ANGOLO VALORE (m) (m) AL NORD CAMPO (m) (m) AL NORD CAMPO GEOGRA ELETTRICO GEOGRA ELETTRICO FICO (V/m) FICO (V/m)

51 Osservazioni: In questo caso, si rileva che i valori di campo elettrico intorno alla SRB a potenza 1 W sono maggiori, infatti il centro elettrico dell antenna è a 5 m di altezza. Dai valori riportati nelle tabelle 39 e 40 si nota che a 5 m di distanza dall impianto il valore di campo elettrico è pari a 5.77 V/m mentre per l impianto a 20 W nello stesso punto è a 0.17 V/m. Il valor medio di campo elettrico sul territorio per il primo impianto è 1.4 V/m; per la SRB a 20 W è pari a 0.2 V/m. 174

52 6.8.8 QUARTO CONFRONTO: ALTEZZA 2 m Figura 65 livelli di campo per SRB a 1 W Figura 66 livelli di campo per SRB a 20 W Tabella 41 Punti di controllo SRB 1 W Tabella 42 Punti di controllo SRB 20 W PUNTI H X ANGOLO VALORE PUNTI H X ANGOLO VALORE (m) (m) AL NORD CAMPO (m) (m) AL NORD CAMPO GEOGRA ELETTRICO GEOGRA ELETTRICO FICO (V/m) FICO (V/m)

53 Osservazioni: A 2 m di altezza il campo elettrico generato dall impianto a 20 W si mantiene al di sotto di 0.5 V/m: il valor medio sul territorio calcolato dai dati in tabella è 0.2 V/m. Attorno alla SRB con potenza 1 W è presente un campo elettrico che al massimo raggiunge, nei punti considerati, un valore pari a Il valor medio di campo elettrico sul territorio è pari a 0.5 V/m. 176

54 6.8.9 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE Dai calcoli svolti con il programma NFA2K emerge che i livelli di campo elettrico generati sul territorio da impianti con potenze massime di trasmissione pari a 20 W, posti a 30 m di altezza dal suolo, raggiungono valori che superano il limite fissato dalla normativa (6 V/m per edifici adibiti a permanenze superiori alle 4 h) ad altezze comprese tra 31.4 m e 27.1 m ed a distanze comprese tra 31.4 m e 27.1 m, lungo la direzione di massima irradiazione, come mostrato dal grafico del volume di rispetto in figura 51. Per la postazione con potenza massima di trasmissione pari a 1 W, posizionata a 5 m di altezza dal suolo, il volume di rispetto è confinato a 7.5 m di distanza lungo la massima direzione di irradiazione. I valori medi di campo elettrico, calcolati per le diverse altezze sono riportati in tabella 43. Tabella 43 Altezza (m) Valor medio di campo elettrico (V/m) SRB 20 W Valor medio di campo elettrico (V/m) SRB 1 W Consideriamo di avere una distribuzione di edifici adibiti ad abitazione, di altezza media pari a 15 m, attorno agli impianti. Si nota che, per quanto riguarda l esposizione della popolazione, i valori medi di campo elettrico prodotti dall impianto a potenza maggiore, a 5 m e a 2 m di altezza, sono inferiori rispetto a quelli prodotti dall impianto a 1 W. Il confronto tra i valori riportati in tabella 43 evidenzia che la differenza rilevante si ha a 5 m di altezza, dove è posizionato il centro elettrico del sistema. 177