Misura dell esposizione a segnali radio digitali a banda larga mediante strumenti selettivi in frequenza

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1 Misura dell esposizione a segnali radio digitali a banda larga mediante strumenti selettivi in frequenza Trinchero D. 1, Fiorelli B. 1, Galardini A. 1, Longobardi F. 1, Stefanelli R. 1, Anglesio L. 2, Benedetto A. 2, Trinchero S. 2, d Amore G. 2, Borsero M. 3, Vizio G. 3 1 ixem Labs, Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Torino, info@ixem.polito.it 2 ARPA Piemonte, Centro Regionale per le Radiazioni Ionizzanti e Non Ionizzanti, Ivrea, s.trinchero@arpa.piemonte.it 3 INRIM, Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, m.borsero@inrim.it I segnali radio digitali a banda larga sono sempre più presenti in campo grazie ai continui avanzamenti nel settore delle radiocomunicazioni e all aumento delle richieste degli utenti. La telefonia cellulare Universal Mobile Communication System (UMTS) è presente da alcuni anni, ma a questa si è aggiunta la trasmissione televisiva digitale (DVB-x) che sta progressivamente sostituendo quella analogica, mentre hanno una sempre maggiore diffusione le tecnologie Wireless basate sui protocolli IEEE , e (Wi-Fi, WPAN e Wi-Max) e sono in via di introduzione i protocolli IEEE (WRAN). In ambito protezionistico è molto importante, una volta selezionato un opportuno intervallo di frequenza, unire alla valutazione del livello complessivo di campo elettrico, la misura del contributo al campo totale dovuto a ciascuna stazione emittente. Lo strumento più indicato per misurare questa tipologia di segnali è l analizzatore di spettro vettoriale, che rappresenta la piattaforma di riferimento per l esecuzione di misure selettive. In questo lavoro si analizza la possibilità di utilizzare le misure selettive per la verifica dell esposizione puntuale e di quella massima. Viene proposta una procedura che può essere implementata con strumenti di tipo tradizionale, e ne vengono valutati accuratezza e limiti applicativi. INTRODUZIONE La misura del campo elettromagnetico generato da sorgenti a radiofrequenza richiede, in ambito protezionistico, di accompagnare alla valutazione complessiva del livello di campo in una banda di frequenza definita a priori anche la stima del contributo al campo totale di ogni singola sorgente. In presenza di segnali digitali a larga banda l unico strumento che consente di effettuare questo tipo di analisi in modo completo è l analizzatore di spettro vettoriale. Per i segnali con tecnica di accesso di tipo Wideband Code Division Multiple Access (W-CDMA), che già da alcuni anni sono utilizzati per la telefonia mobile, in letteratura sono presenti diversi lavori che mostrano le possibili procedure di misura in banda stretta [1-2]. Nel presente lavoro si analizzeranno principalmente i segnali con tecnica di accesso Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) individuando una procedura di estrapolazione del livello di campo massimo indipendente dall uso di ricevitori vettoriali. CARATTERISTICHE ESSENZIALI DI UN SEGNALE W-CDMA Lo standard 3GPP (Third Generation Partnership Project) definisce per l UMTS due possibili tecniche di accesso radio: FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex)[3-4] Con la tecnica FDD (utilizzata oggi in Italia) up-link e down-link sono trasmessi su due sottobande separate; le operazioni di trasmissione e ricezione possono quindi avvenire simultaneamente. Con la tecnica TDD invece la stessa sottobanda viene utilizzata per entrambe le tratte. La tecnica FDD utilizza un accesso di tipo W-CDMA in cui ogni utente è identificato da un codice. Ogni codice mediante una procedura definita spreading codifica mediante moltiplicazione i bit trasmessi per produrre un flusso di bit con velocità di trasmissione elevata. Per quanto riguarda le tecniche di misura e di estrapolazione relative a questo tipo di segnali si rimanda a quanto riportato nell appendice H della Guida CEI [5]. CARATTERISTICHE ESSENZIALI DI UN SEGNALE OFDM La Fig.1 rappresenta lo schema di un segnale OFDM. Le sottoportanti di preambolo (o di sincronismo) sono trasmesse potenza più elevata per un periodo molto breve, per sincronizzare l istante di inizio del frame. La maggiore trasmissione di potenza è realizzata spegnendo, per tutta la durata del preambolo, le portanti che non trasportano i sincronismi. 1

2 Figura 1: Schema modulazione OFDM Preamble tones frequency Pilot tones Pilot power Boosting (2.5 db) Preamble power Boosting (9dB) time Data tones Le sottoportanti pilota sono utilizzate per la sincronizzazione in frequenza, per compensare eventuali distorsioni di canale. Esse sono caratterizzate dalla trasmissione uniforme di dati costanti e ripetuti. Normalmente piloti e preamboli non coincidono e i preamboli sono in numero maggiore dei piloti. Per esempio, nello standard (caratterizzato da 52 sottoportanti attive su un totale di 64) i piloti sono 4, localizzati alle posizioni -21, -7, 7, 21 rispetto alla sottoportante centrale. I preamboli sono invece 12 localizzati alle posizioni -24, -20, -16, -12, -8, -4, 4, 8, 12, 16, 20, 24, sempre rispetto a quella centrale. I preamboli sono caratterizzati da una potenza sempre maggiore di quella dei dati, mentre i piloti sono trasmessi a una potenza che può essere maggiore o minore di quella dei dati ma sempre minore di quella dei preamboli. Nella Fig.2 è rappresentato lo spettro di un segnale in cui sono evidenti i picchi dei preamboli. Figura 2: Spettro segnale

3 VALUTAZIONE DELL ESPOSIZIONE In accordo con le normative nazionali e gli standard tecnici [6-7], nella valutazione dell esposizione a segnali a radiofrequenza non ci si deve limitare alla sola misura istantanea del valore di campo, ma va stimato anche il massimo livello raggiungibile, che corrisponde al caso di trasmissione in condizioni di esercizio a massima potenza dell impianto, compatibilmente con le caratteristiche di modulazione del segnale. TECNICHE DI ESTRAPOLAZIONE Una concreta possibilità per valutare la stima del campo massimo generato da un segnale OFDM è rappresentata dalla valutazione dei piloti, che sono trasmessi ad una potenza costante, dalla stima della quale è possibile ricavare quella delle sottoportanti di traffico. Purtroppo questa operazione è molto complessa, a meno di utilizzare un analizzatore di spettro vettoriale in grado di demodulare il segnale. Questo essenzialmente per tre motivi: - come evidenziato nella Fig. 3, le sottoportanti non possono essere facilmente discriminate in frequenza; - in uno standard come la potenza delle sottoportanti pilota è normalmente la stessa delle sottoportanti dati; - in presenza di fading lo spettro potrebbe essere molto deformato, e affidare la caratterizzazione del segnale a sole 4 sottoportanti potrebbe non essere sufficientemente rappresentativo del segnale reale. Figura 3: Sottoportanti OFDM In questo lavoro si propone un metodo alternativo: la valutazione dell esposizione viene effettuata grazie alla misura dei preamboli, e non dei piloti. Essi sono uniformemente ma meno densamente distribuiti nel canale, sono trasmessi apotenza più alta e quindi sono più facilmente identificabili dei piloti. SIMULAZIONE AL CALCOLATORE La criticità del metodo risiede nell estrema vicinanza delle sottoportanti OFDM, che sono pienamente sovrapposte e quindi non separabili, a meno di utilizzare un filtro a frequenza intermedia di ampiezza molto inferiore rispetto a quella di banda della sottoportante. Questa soluzione permetterebbe di eliminare la sovrapposizione dovuta alle sottoportanti adiacenti, che proprio in corrispondenza del massimo della sottoportante oggetto di misura sono nulle, e quindi permetterebbe di discriminare le singole sottoportanti, ma non rappresenta una procedura praticabile, in quanto un filtro stretto non fornisce una lettura di tutta la potenza associata alla sottoportante, risultando in una evidente sottostima. Anche l applicazione di tecniche di integrazione numerica (come il channel power) non è efficace, a causa della sovrapposizione significativa delle sottoportanti adiacenti, quando ci si allontana dalla condizione di massimo. Per evitare questo problema, si suggerisce la misura dei soli preamboli, che sono maggiormente spaziati in frequenza, in quanto alcune portanti vengono spente per favorire la trasmissione di maggiore potenza in 3

4 fase di sincronismo. A questo modo è possibile far effettuare al detector l integrazione delle singole sottoportanti, minimizzando l effetto di sovrastima. Per giustificare il metodo proposto, è stata costruito un modello al calcolatore dello schema di misura do un segnale OFDM mediante analizzatore di spettro. Il modello prevede la generazione di una frame OFDM caratterizzato a 64 sottoportanti di ampiezza KHz e uguale spaziatura, generate per mezzo di una semplice Fast Fourier Transform (FFT). Il frame così costruito è inviato ad un circuito equivalente al detector di un analizzatore, dotato di filtro a frequenza intermedia con shape gaussiano, e di un integratore quadratico. Il modello al calcolatore è stato sviluppato in ambiente Matlab. Figura 4: Simulazione di lettura con analizzatore di spettro Lo schema descritto è stato applicato ad una segnale OFDM per Wi-Fi (standard IEEE ). I risultati della simulazione, riportati in Fig.4, evidenziano l applicabilità del metodo. La curva rossa in Fig.4 rappresenta il risultato di integrazione di una sola sottoportante, con tutte le altre spente. La curva blu rappresenta il risultato dell integrazione con i soli preamboli accesi. Come si vede, la differenza di lettura è trascurabile, fintanto che il filtro utilizzato non sovrappone più portanti di preambolo insieme. La curva verde evidenzia il risultato che si ottiene quando tutte le portanti vengono accese, mostrando l impraticabilità del metodo di misura, se non limitato alle sole sottoportanti di sincronismo. VERIFICA SPERIMENTALE La verifica di quanto evidenziato dalle simulazioni in Matlab è stata realizzata sperimentalmente allestendo un banco di misura presso il laboratorio ixem del Politecnico di Torino. Due trasmettitori sono stati messi in comunicazione tra di loro attraverso un collegamento diretto via cavo, mentre le misure sul segnale sono state svolte attraverso un analizzatore di spettro vettoriale (Agilent Technologies PSA E4440A) tramite un prelievo realizzato per mezzo di un accoppiatore direzionale. Il segnale, tipico dello standard è stato generato alla frequenza di GHz. L analizzatore di spettro è stato utilizzato nel dominio del tempo (span zero) fissando di volta in volta le frequenze dei preamboli e misurando i picchi con un detector max peak (Modalità Max Hold). E stata quindi fatta variare la frequenza del filtro di risoluzione (RBW) mantenendo una VBW almeno tre volte superiore alla relativa RBW. Il tempo di sweep è stato scelto in modo da rendere più facile possibile l operazione di trigger del segnale. Nella Tabella 1 sono rappresentati i risultati delle misure: come riferimento è stato preso il risultato 4

5 della misura con RBW = 100 khz. Nelle altre colonne è evidenziato il rapporto (in db) tra la misura con questo filtro e quelle ottenute con i filtri da 30 khz, 300 khz e 1 MHz. Tabella 1: Risultati misure sperimentali Sottoportante Misura RBW = 100 khz (dbm) 30 khz / 100 khz 300 khz / 100 khz 1 MHz / 100 khz CONCLUSIONI I risultati numerici e sperimentali evidenziano un buon accordo e permettono di adottare il metodo proposto, che risulta efficiente, facilmente implementabile ed esportabile su una molteplicità di piattaforme hardware. Si ricorda però che ogni analizzatore è caratterizzato da detectors con diversa risposta, pertanto si suggerisce una precaratterizzazione dello strumento, al fine di tarare i coefficienti correttivi da inserire all interno della procedura di misura. RINGRAZIAMENTI Gli autori ringraziano Agilent Technologies per la fornitura di strumentazione e supporto tecnico. Bibliografia [1] G. Licitra, D. Palazzuoli, A.S. Ricci, A.M. Silvi, Misura di Segnali UMTS attraverso Analizzatore di Spettro Digitale, Atti del Convegno Dal Monitoraggio degli Agenti Fisici sul territorio alla Valutazione dell esposizione ambientale Villa Gualino, Torino, ottobre 2003 pp [2] S. Trinchero, A. Benedetto, L. Anglesio, G. d Amore, D. Trinchero, Exposure Measuring Tecniques for Wideband Mobile Radiocommunications, Radiation Protection Dosimetry, Volume 111, n.4, pp , [3] H. Holma, A. Toskala W-CDMA for UMTS, John Wiley & Sons, Baffins Lane UK, [4] F. Buscaglia, P. Gianola, Measurement Tecniques for UMTS signals radiated by radio base station Radiation Protection Dosimetry, Volume 97, n.4, pp , 2001 [5] Giuda alla realizzazione di una stazione radio base per rispettare i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici in alta frequenza Guida CEI , 2004 [6] ICNIRP, Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz) Health Phisycs, Volume 74, n.4, 1998 [7] Giuda per la misura e la valutazione dei campi elettromagnetici nell intervallo di frequenza 10 khz 300 GHz, con riferimento all esposizione umana Guida CEI 211-7, 2001 [8] IEEE Standard for Information technology-telecommunications and information exchange between systems-local and metropolitan area networks-specific requirements - Part 11: Wireless LAN, , 2007 [9] IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, ,