STRUMENTAZIONE INNOVATIVA E NUOVE METODOLOGIE PER LA VALUTAZIONE DELL ESPOSIZIONE A CAMPI ELETTROMAGNETICI

STRUMENTAZIONE INNOVATIVA E NUOVE METODOLOGIE PER LA VALUTAZIONE DELL ESPOSIZIONE A CAMPI ELETTROMAGNETICI Gaetano Licitra, Fabio Francia Italia - Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Toscana (ARPAT) Via V. Veneto 2, 57100, Pisa www.arpat.toscana.it 4 Sessione Tema: Telerilevamento e reti di monitoraggio ambientale Sottotema: Controlli e monitoraggio 1. Introduzione Il rapido sviluppo tecnologico degli standard di comunicazione mobile avvenuto negli ultimi anni, ha richiesto e richiede un continuo aggiornamento dei metodi e degli strumenti di misura a disposizione delle Agenzie di Controllo, per poter efficacemente garantire la tutela dell Ambiente e della Salute Pubblica e consentire alle stesse di informare correttamente il cittadino sui reali livelli di esposizione. Dal 1985, anno in cui nasceva il primo sistema TACS nel Regno Unito, ad oggi abbiamo assistito ad una crescente presenza sul territorio di apparati di ricezione e trasmissione ed alla contemporanea evoluzione degli stessi standard di comunicazione, basti pensare che l anno 2002 ha visto il lancio anche in Italia del sistema di telecomunicazioni di Terza Generazione, meglio noto come UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), in grado di supportare trasmissioni dati a 3.84Mbit/s. Le Agenzie di Controllo si trovano quindi a dover gestire nuove competenze ed essere tecnologicamente all avanguardia per poter garantire i servizi istituzionali sia sul fronte del più classico inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza che su quello emergente delle alte frequenze. In questo lavoro sarà fatta una necessariamente breve panoramica sulle problematiche nascenti dall introduzione di nuovi standard di comunicazione, sulle strategie di misura e sui prodotti tecnologici a disposizione, con particolare riferimento ai sistemi di monitoraggio in continua, per poter garantire risposte efficaci in relazione all evoluzione del mondo della telecomunicazione mobile. 2. L attività delle Agenzie di Controllo La crescente domanda da parte dei gestori di nuove Stazioni Radio Base (SRB) sia GSM che di nuova generazione, UMTS, pone sempre più spesso le Agenzie di fronte alla necessità non solo di effettuare controlli sui livelli di campo Elettromagnetico (EM) generato dalle SRB, ma anche di valutare, se non eseguire, misure di campo EM di fondo affinché venga tutelato l ambiente e la salute del cittadino nella prospettiva dello sviluppo delle infrastrutture e, quindi, della qualità dei servizi. Ad oggi, il lavoro di controllo e valutazione delle Agenzie si articola in due fasi distinte e complementari: da un lato le simulazioni numeriche permettono di avere un quadro generale dell impatto di nuove SRB, dall altro forniscono un primo approccio alla valutazione complessiva dell esposizione della popolazione. Misure spot o in continua sui siti di maggior interesse sono utilizzate sia ai fini del controllo degli impianti che per fornire

informazioni puntuali e specifiche alla popolazione, spesso allarmata dalle presenza degli impianti. 2.1 La necessità di misure selettive in frequenza L esperienza di questi anni e i dati raccolti da ARPAT, mostrano come le tradizionali misure spot in banda larga e le simulazioni numeriche non siano sufficienti a caratterizzare pienamente i livelli di campo EM e l esposizione della popolazione. La normativa attuale richiede di individuare in maniera univoca le sorgenti di campo EM e di valutarne previsionalmente l esposizione, in ottemperanza alle norme CEI (Guida CEI 211 7, Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettromagnetici nell intervallo di frequenza 10 khz 300 GHz, con riferimento all esposizione umana ), nel caso peggiore, quando, cioè, in condizioni di massimo traffico, le SRB emettono alla massima potenza consentita. Risulta evidente allora, come le semplici misure in banda larga e le simulazioni al calcolatore basate sulle informazioni relative al singolo impianto non possano fornire un quadro esaustivo della situazione per la mancanza di selettività e di conoscenza delle frequenze realmente utilizzate dai gestori al momento della misura, nonché del traffico presente. Si rende necessario, quindi, ricorrere a misure selettive in frequenza (banda stretta), in grado di fotografare la reale occupazione di banda al momento del controllo e la potenza assegnata ai canali attivati. Una tipica catena strumentale per misure in banda stretta si compone essenzialmente dell antenna ricevente, l analizzatore di spettro ed eventualmente di un personal computer per la gestione della misura a distanza e il successivo post processing per l analisi dei dati. Sono requisiti essenziali della catena strumentale: 1. La portabilità della strumentazione (robustezza, ingombro ridotto); 2. Facilità d uso; 3. Bassi tempi di ripristino in caso di guasti; 4. Affidabilità; 5. Tempi di post processing ridotti; 6. Possibilità di verifica della taratura presso laboratori locali attrezzati con campi campione (celle GTEM, TEM, camera anecoica ). Le misure a banda larga in continua possono in questo caso validamente affiancare l analisi selettiva in frequenza per evidenziare l andamento temporale dell esposizione alla radio frequenza e ricostruire la time history della SRB oggetto di indagine. In Figura 1 è mostrata una centralina per il monitoraggio in continua utilizzata dal Dipartimento ARPAT di Pisa per monitoraggio di SRB GSM. I dati vengono acquisiti e memorizzati dalla centralina stessa o inviati ad una postazione remota attraverso una connessione telefonica: la sensibilità minima del sensore è di 0.5 V/m. Sono state effettuate dal Dipartimento ARPAT di Pisa campagne di misura presso una decina di SRB per telefonia cellulare costituite da combinazioni di impianti di diverse tipologie (TACS, GSM e DCS). Tali misure, della durata complessiva di circa sei mesi, hanno permesso di individuare il tipico andamento giornaliero di campo elettrico, caratterizzato da un minimo notturno e da due massimi durante il giorno, il primo dei quali si colloca nella fascia oraria 10? 13, il secondo nella fascia oraria 18? 22.

Figura 1. Centralina di misura con sensore a banda larga. In Figura 2 si riporta l andamento temporale nell arco della giornata e su base oraria dell esposizione media a campi elettromagnetici prodotti da impianti per telefonia cellulare in celle di tipo affari e residenziale, il valore di campo elettrico riportato è normalizzato al massimo valore giornaliero riscontrato. Cella tipo residenziale Cella tipo affari Figura 2. Andamento del campo elettrico nell arco di una giornata per celle con diverso bacino di utenza. La conoscenza dell andamento del campo elettrico generato da SRB nell intero arco della giornata, permette, con buona approssimazione, di estrapolare da una singola misura, effettuata in qualsiasi momento, il valore massimo riscontrabile nel sito di misura prescelto. Sono attualmente in fase di realizzazione centraline automatizzate per il monitoraggio di campi EM selettive in frequenza e capaci di registrare i parametri

ambientali rilevanti per la validazione dei dati raccolti (Progetto Salvaguardia dell uomo e dell ambiente MIUR/ENEA-CNR, http://www.emprotect.enea.it). L esperienza accumulata in questi anni, la varietà di prodotti tecnologici presenti sul mercato e il ricco bagaglio normativo prodotto dagli organismi di normazione, sia nazionali che internazionali, hanno fatto sì che oggi le misure e i controlli su Stazioni Radio Base TACS e GSM possano essere effettuati con maggiore confidenza di avere un quadro esaustivo dell esposizione del cittadino alle radiazioni non ionizzanti in, praticamente, qualsiasi condizione e localizzazione sul territorio. Lo standard GSM si fonda sulla tecnica della condivisione delle frequenze assegnate ai singoli gestori attraverso la metodologia di trasmissione a multiplazione di tempo (TDMA Time Division Multiple Access, Figura 3) in cui ogni singola portante dedicata alla trasmissione viene utilizzata da più utenti in successione temporale incrementando, in tal modo, la capacità di rete. All interno dell intervallo di frequenza assegnato al singolo gestore, inoltre è sempre attiva una portante di controllo (BCCH) per singola cella riservata alla trasmissione di informazioni per l instaurarsi e il mantenimento della comunicazione tra utenti. La potenza irradiata dalle Stazioni Radio Base GSM, dipende dal numero di portanti attive e riserva al canale di controllo BCCH di ogni cella una potenza massima di circa 8W. Figura 3. Confronto tra le tecniche TDMA e CDMA (http://www.reteumts.info). Attraverso l analisi in banda stretta è possibile allora discriminare, tra tutti i contributi in potenza presenti, quelli ascrivibili alla Stazione oggetto di indagine, conoscerne la potenza emessa complessivamente e quindi l esposizione della popolazione per la successiva verifica del rispetto della normativa vigente. Ad oggi le norme per il corretto svolgimento delle misure e la strumentazione presente sul mercato permettono un approccio sicuro e una corretta attività di protezione dell ambiente e del cittadino. Le aziende produttrici di hardware mettono a disposizione dei centri di controllo una vasta scelta di apparati per la misura adatti alle esigenze di portabilità, facilità d uso e robustezza richieste dal massiccio impiego delle Agenzie di controllo su tutto il territorio nazionale. Il Dipartimento ARPAT di Pisa si è recentemente dotato di un Laboratorio Mobile, completamente schermato, per effettuare misure in situ anche in luoghi impervi e in presenza di campi molto elevati (Figura 4).

Figura 4. Laboratorio Mobile, ARPAT Dipartimento di Pisa. La connessione agli strumentazione di rivelazione (antenna, movimentatore) avviene attraverso le connessioni evidenziate. È messo in evidenza il supporto che consente misure con una centralina a banda larga collegata ad un sistema GPS. Possono essere impiegate catene di misura in banda stretta che utilizzano sia cavi a radiofrequenza che fibre ottiche, a seconda delle necessità. Un personal computer, attraverso il software dedicato, può occuparsi della movimentazione dell antenna (Figura 5) e acquisire i valori di campo elettrico visualizzandone l andamento alle diverse frequenze e altezze, come richiesto dalla normativa vigente. L utilizzo di fibre ottiche per il trasferimento di del segnale dalla sonda attiva al ricevitore ottico garantisce un elevata schermatura dai disturbi esterni. Figura 5. Movimentatore e antenna esterni per acquisizioni tramite fibra ottica. La dotazione interna comprende una catena strumentale completa per acquisizione in banda stretta: analizzatore di spettro, personal computer e stampante per l acquisizione e l elaborazione in tempo reale dei dati acquisiti (Figura 6, a destra). Il laboratorio Mobile è inoltre dotato di sensori a banda larga collegati a strumentazione GPS (Figura 6, a sinistra) che permettono la misura del campo EM

georeferenziandolo in maniera assoluta. Figura 6. Sistema GPS di georeferenziazione delle misure di campo EM (sinistra) e analizzatore di spettro con personal computer (destra). Mediante tale sistema, integrato opportunamente con misurazioni in continua in punti fissi, è possibile mappare l andamento del campo EM sul territorio in maniera veloce e precisa, fornendo un quadro completo e aggiornato sullo stato dell ambiente per quanto riguarda i livelli di inquinamento elettromagnetico. Un progetto pilota di tale tipo è da poco cominciato nella città di Pisa. Tale progetto si articola nelle seguenti fasi:?? Acquisizione della cartografia digitale tridimensionale della città e delle caratteristiche di tutti gli impianti SRB presenti.?? Calcolo previsionale mediante un codice di calcolo collegato ad un GIS su tutto il territorio cittadino.?? Scelta di un area di test contenuta in quella precedente, così da tener conto dei contributi provenienti da zone esterne.?? Identificazione dell andamento temporale dei livelli corrispondenti agli impianti presenti attraverso una serie di stazioni fisse di monitoraggio in continua (se ne prevedono almeno quattro nella fase iniziale), opportunamente posizionate sul territorio in modo da registrare ognuna livelli associabili ad una sola sorgente;?? Misura dei livelli presenti utilizzando il laboratorio mobile con a bordo la centralina di monitoraggio in continua interfacciata con il GPS e un sistema geografico informatizzato. Considerata la risoluzione del GPS, la mappatura potrà descrivere in maniera dettagliata i livelli presenti sul territorio, consentendo di verificare le previsioni del modello sulla base degli impianti che impattano l area;?? Correzione dei dati acquisiti con il laboratorio mobile utilizzando la variazione temporale dei livelli prodotti dagli impianti, sulla base dei risultati ottenuti dalle postazioni fisse di monitoraggio;?? Misure di controllo con analizzatore di spettro in posizioni opportune, per verificare la presenza nell area di eventuali ulteriori sorgenti e per caratterizzarne i contributi. Le prime due fasi sono state già completate e il risultato è mostrato in figura 7, dove è riportata una rappresentazione dell esposizione complessiva della popolazione al campo elettrico generato da impianti per telefonia cellulare appartenenti a varie reti e

funzionanti alla massima potenza autorizzata, ad 1.5 m di altezza al di sopra di ogni copertura degli edifici ed alla quota di 1.5 m di altezza dal terreno in loro assenza. Figura 7. Calcolo previsionale dei valori di campo elettrico presenti ad un altezza di 1.5 metri dal terreno e dalla copertura degli edifici ove presenti. Tale rappresentazione, in formato GIS, contiene in sé sia le informazioni tecniche sugli impianti presenti che i valori di esposizione calcolati e può rappresentare anche un valido ausilio per la comunicazione alla popolazione, se opportunamente integrata in un sito internet. 2.2. L avvento dell UMTS Lo standard UMTS (CDMA - Code Division Multiple Access, Figura 3) cambia in maniera radicale la tecnica di trasmissione-ricezione dei segnali richiedendo quindi un sviluppo normativo riguardo le strategie di misura e la scelta degli strumenti tecnologici più appropriati anche nell ottica dell ottimizzazione del rapporto utilizzo/prezzo per un uso estensivo e quotidiano. Con il nuovo sistema di comunicazione non si sfrutta più la multiplazione temporale ma tutti gli utenti utilizzano contemporaneamente una singola frequenza assegnata al gestore essendo univocamente identificati da un codice digitale. I canali dedicati alla comunicazione per singola cella, anch essa identificata da un codice digitale in trasmissione e ricezione (scrambling code), sono modulati da una sequenza pseudo casuale di bit specifica per ogni utente (spreading factor) che ne permette l identificazione univoca tra tutte le trasmissione presenti (Figura 8). Per ovvii motivi di interferenza, pensiamo al paragone tra codice e lingua della Figura 2, la potenza di trasmissione nelle celle UMTS è molto più bassa rispetto al GSM, di circa un fattore 20, con notevoli vantaggi per la salvaguardia dell ambiente e dei cittadini dall esposizione alla radiazione non ionizzante.

Figura 8. Lo standard UMTS: ogni singolo interlocutore è identificato all interno del rumore prodotto dagli altri utenti dal codice (lingua) assegnatogli (http://www.reteumts.info). L adozione della nuova tecnologia UMTS apre nuove problematiche di normazione per la misura dei campi EM prodotti dalle Stazioni Radio Base di Terza Generazione e di scelta della strumentazione più adeguata alle necessità delle Agenzie. Uno degli aspetti più importanti di cui ancora si discute in sede di organismi di normazione nazionali e internazionali, CEI e CENELEC per citarne alcuni, è il definire un criterio univoco di misura dei segnali UMTS provenienti da celle contigue dello stesso operatore, quindi operanti alla stessa frequenza e con potenza paragonabile, salvaguardando la possibilità di scelta della strumentazione più adeguata alle potenzialità della singola Agenzia che si trova ad operare sul territorio. È di fondamentale importanza che in, sede di controllo, si possano discriminare, con misure sul campo, le emissioni delle differenti Stazioni Radio Base che insistono sul punto di misura: poter scorporare dal segnale totale rilevato i contributi dei singoli emettitori appartenenti allo stesso gestore, significa poter valutare oggettivamente eventuali superamenti e cautelativamente estrapolare l esposizione umana nel caso peggiore con i livelli di potenza emessa a pieno regime. La soluzione tecnologica ad oggi presente sul mercato consiste nella scelta di Analizzatori di Segnali Vettoriali (VSA) capaci di effettuare misure nel dominio dei codici e quindi discriminare i canali attivi, la loro funzione (canali di controllo, trasmissione dati, voce ) e la provenienza associandoli attraverso il codice di scrambling ad una ben precisa Stazione Radio Base. A fronte di un costo piuttosto elevato, attualmente i VSA si delineano come la scelta obbligata per poter assegnare ad ogni antenna emettitore il proprio contributo in maniera oggettiva. Nonostante ciò, nell ottica di fornire adeguati strumenti ad ogni Agenzia, in sede di normazione sono in corso di elaborazione metodi e strategie per l utilizzo dei tradizionali analizzatori di spettro come primo efficace intervento per misure sul campo. Il Dipartimento ARPAT di Pisa, nel tentativo di ottenere un buon rapporto prestazioni/prezzo, sta procedendo in questo senso, dotandosi di un upgrade kit per un analizzatore di spettro già in dotazione e di un software per misure W-CDMA. Tale scelta consente di implementare un efficace catena di misura per misure su apparati di Terza Generazione mantenendo nel contempo la strumentazione attuale, adeguata per l analisi dei campi prodotti da SRB GSM. L apparato, pur non potendo fornire in tempo reale informazioni nel dominio dei codici consente, con un successivo post processing, di ottenere quanto necessario per una corretta valutazione dei livelli di esposizione.

3. La calibrazione della strumentazione Altro aspetto molto importante per le Agenzie di controllo e in generale per tutti i soggetti chiamati ad effettuare verifiche e controlli, è la possibilità di verificare frequentemente la strumentazione in uso attraverso il confronto con campi campione generati in laboratorio. Tale procedura non sostituisce la calibrazione presso centri autorizzati ma incrementa notevolmente l affidabilità e la qualità del servizio prestato. A questo riguardo, sta nascendo presso il Dipartimento ARPAT di Pisa un centro specializzato per la verifica e il controllo della strumentazione utilizzata per misurazioni di campi elettromagnetici a bassa e alta frequenza. In Figura 9 sono mostrate due tipi di celle, la GTEM e la TEM, per la generazione di campi stabili e confinati nelle quali verificare i sensori utilizzati. Figura 9. Celle GTEM e TEM per calibrazione e verifica di sensori a banda larga per campi elettromagnetici. La mappatura dell andamento dei campi elettromagnetici e la misura degli stessi è effettuata con sonde ad alta precisione (Transfer Field Strength Meter System TSF 11 Schaffner EMC Systems) calibrate da enti esterni accreditati il cui corretto funzionamento è continuamente verificato dal personale del laboratorio (Figura 10). Figura 10. Sonda Schaffner ad alta precisione con trasduttore ottico (a sinistra) e micro cella di calibrazione della stessa (a destra). La sonda ha un errore massimo di 0.5 db in un intervallo di frequenza da 10MHz a 1GHz.

4. Conclusioni Sono state brevemente presentate e discusse le problematiche emergenti riguardo la protezione dai campi elettromagnetici, con riferimento alla strumentazione da utilizzare nelle misure di controllo per fornire risposte accurate in termini di riproducibilità e ripetibilità. È stato evidenziato come solo tecnologie all avanguardia consentano di poter rispondere appieno alla domanda sempre più pressante da parte della popolazione riguardo l esposizione ai campi elettromagnetici. É legittimo affermare la possibilità per le Agenzie di poter svolgere il loro ruolo istituzionale disponendo di un ampio numero di scelte tecnologiche dalle più semplici crescendo di complessità di pari passo alla preparazione e alla formazione del personale. Solo con una continua attività di formazione del personale si può comunque garantire un pieno utilizzo delle potenzialità offerte dalla strumentazione ad oggi disponibile. Le esigenze descritte, come accade in tutti i settori, corrispondono ad una disponibilità di risorse significative e costantemente destinate alle Agenzie, che per legge sono chiamate a garantire il controllo degli impianti. L alternativa a ciò è una lenta e progressiva perdita di fiducia nelle istituzioni, incapaci di fornire le risposte corrette. 5. Ringraziamenti Si ringrazia per la gentile collaborazione tecnica il Dott. Diego Palazzuoli. 6. Bibliografia 1. F.Buscaglia, P.Gianola, Measurement Techniques for UMTS Signals Radiated by Base Stations Radiation Protection Dosimetry, vol 97 n. 4 (2001), Selected Papers from Workshop Physical Agents And Measurements In The Environment, Ivrea 2001. 2. Ornelio Bertazioli e Lorenzo Favalli GSM: il sistema europeo di comunicazione mobile. Tecniche, architetture e procedure U.Hoepli 1996. 3. A.M.Silvi, A.Zari, G.Licitra, Assessment of the temporal trend of the exposure of people to electromagnetic fields produced by base stations for mobile telephones in Radiation Protection Dosimetry, vol. 97, n. 4 (2001). 4. G. Licitra, F. Francia Analisi dell inquinamento elettromagnetico nell ambiente: requisiti dei sistemi di misura e problemi aperti negli atti del Convegno "Strumenti e tecniche di misura per la protezione dell'uomo e dell'ambiente dai campi elettromagnetici", promosso dal Progetto MIUR/CNR-ENEA "Salvaguardia dell'uomo e dell'ambiente dalle emissioni elettromagnetiche", Firenze, 28-29 maggio 2003. 5. D.Andreuccetti, M.Bini, L.Pieri e S.Priori, Procedure standardizzate per la raccolta dei dati nelle stazioni di misura, promosso dal Progetto MIUR/CNR-ENEA Salvaguardia dell'uomo e dell'ambiente dalle emissioni elettromagnetiche, Firenze, 28-29 maggio 2003.