Elettromagnetismo

Conosciamo l'ABC della Telefonia Radiomobile
 
Un tempo eravamo abituati a un solo tipo di telefono: quello di casa. Il collegamento di questo apparecchio alla rete di telecomunicazioni è tutt'oggi realizzato mediante una coppia di fili nota con il nome di doppino telefonico.

La tecnologia è stata in grado, negli ultimi anni, di sostituire il cavo con un collegamento radio permettendo a tutti noi di usufruire di tanti nuovi servizi di comunicazione in piena libertà di movimento.

L'infrastruttura della rete radiomobile è dunque costituita da quattro elementi: una serie di calcolatori in grado di capire dove trovare l'utente e come gestirne la mobilità , una serie di centrali che fisicamente connettono le linee, le stazioni radio base ed il terminale radiomobile (anche noto come telefonino).

Dalle Stazioni Radio Base (SRB) viene irradiato e ricevuto il segnale radio da e verso il telefonino tramite il quale siamo in grado di comunicare in qualsiasi momento e in qualsiasi luogo.

Il collegamento radio, come tutti i collegamenti, è realizzato da due terminazioni e da un mezzo che le connette: le due terminazioni sono la stazione radiobase (SRB) e il telefonino, mentre il collegamento fisico è fornito dall'onda elettromagnetica (EM). Per mantenere il collegamento è necessario che l'onda elettromagnetica sia di intensità sufficiente ad essere captata dall'apparato ricevente; quando l'intensità è inferiore la qualità della conversazione diventa scadente ed il collegamento non è più garantito.

Cosa sono le onde elettromagnetiche? Quali sono le loro proprietà?

Un'onda elettromagnetica è una forma di propagazione dell'energia nello spazio a noi familiare: basti pensare che la vita sulla terra avviene grazie all'energia trasportata dalla radiazione luminosa proveniente dal sole. Le onde elettromagnetiche sono costituite da due grandezze elettriche (il campo elettrico e il campo magnetico) che variano periodicamente nel tempo.

Le loro proprietà dipendono fortemente da una grandezza caratteristica: la frequenza, che rappresenta il numero di oscillazioni effettuate dall'onda in un secondo.

L'insieme di tutte le frequenze possibili è denominato spettro elettromagnetico.

 
Lo spettro elettromagnetico è suddiviso in due macro regioni: le radiazioni ionizzanti (dette IR, ovvero Ionizing Radiations) e le radiazioni non ionizzanti (dette NIR, Non Ionizing Radiations). Le radiazioni ionizzanti, che hanno frequenza superiore a quella della radiazione ultravioletta, trasportano energia sufficiente ad estrarre un elettrone dall'orbita più esterna dell'atomo.
Viceversa le radiazioni non ionizzanti, che appartengono alle bande di frequenza più basse (luce compresa), trasportano un quantitativo di energia non sufficiente a produrre la rottura dei legami chimici e quindi non inducono la ionizzazione.
La telefonia radiomobile, e più in generale le radiocomunicazioni, interessano lo spettro di frequenze comprese nell'intervallo 100 kHz - 300 GHz, e appartengono, quindi, al gruppo di radiazioni non ionizzanti (NIR).

La frequenza non è l'unico elemento caratterizzante le onde elettromagnetiche, infatti onde della stessa frequenza possono differire per intensità . L'intensità dell'onda è determinata dall'ampiezza del campo elettrico e di quello magnetico (misurati rispettivamente in Volt/metro e Ampere/metro). Invece di indicare separatamente le ampiezze dei due campi si può utilizzare un'unica grandezza che è la densità di potenza (misurata in Watt/metro quadrato). È importante sottolineare che la densità di potenza diminuisce molto rapidamente allontanandosi dalla sorgente che la emette.
La propagazione dell'onda EM si attenua infatti in condizioni di laboratorio con il quadrato della distanza (ad esempio se ad 1 metro di distanza dall'antenna le densità di potenza di un'onda EM è pari ad 1 W/m2, già a 2 metri essa diventa solo di 0,25 W/m2).

L'onda elettromagnetica:la frequenza viene espressa in Hertz (Hz) e suoi multipli (kHz= mille Hz, MHz= milione di Hz, GHz= un miliardo di Hz). Frequenze diverse, nella luce, sono percepite dal nostro occhio come colori diversi: dal rosso (frequenze più basse) fino al violetto (frequenze più alte). Tanto maggiore è la frequenza e tanto minore è la lunghezza d'onda, ove per lunghezza d'onda si intende la distanza fra due creste dell'onda (indicate come wave length). In natura e nella vita quotidiana sono presenti emissioni elettromagnetiche sulle frequenze più disparate: il campo magnetico terrestre a frequenza nulla, le calamite, i campi a frequenze estremamente basse (extremely low frequencies-ELF) utilizzati da apparecchiature quali elettrodi ed elettrodomestici, funzionanti appunto a 50/60 Hz, le emissioni elettromagnetiche conseguenti alla caduta dei fulmini, la luce del sole che, come già detto, è anch'essa una radiazione elettromagnetica, fino alle radiazioni a frequenze più alte utilizzate, ad esempio, nelle apparecchiature a raggi X. Radiazioni ionizzanti: frequenze superiori al milione di GHz (milioni di miliardi di Hertz)

Radiazioni non ionizzanti:frequenze al di sotto del milione di GHz.

Ionizzazione:il fenomeno di ionizzazione viene definito in fisica come la scissione delle molecole/atomi di un data materia in coppie di particelle, di cui una è l'elettrone e l'altra è uno ione positivo. Questa modificazione della struttura molecolare può danneggiare i tessuti biologici.

Come funzionano i sistemi radiomobili cellulari. Dal GSM all'UMTS

A differenza dei sistemi radiotelevisivi, dove la stessa informazione e' trasmessa a tutti e quindi un'unica frequenza può servire senza problemi una moltitudine di utenti, nei sistemi radiomobili ogni utente trasmette e riceve informazioni diverse dagli altri utenti e per instaurare una comunicazione necessita quindi di specifiche risorse. A seconda della tecnologia, tali risorse possono essere frequenze da utilizzare per brevi intervalli di tempo oppure "codici", speciali sequenze che servono a distinguere diverse comunicazioni utilizzanti simultaneamente una stessa frequenza. I sistemi radiomobili diffusi in Italia sono di due tipi: il sistema GSM e il sistema UMTS. Entrambe le tecnologie sono di tipo digitale.
Nel sistema GSM la stessa frequenza è condivisa da più clienti contemporaneamente; diversi utilizzatori occupano, per breve tempo (time slot), la stesa risorsa radio con modalità di accesso definita TDMA (Time Division Multiple Access). Negli standard GSM il valore medio d potenza in uscita è solitamente inferiore a 0,25 Watt; le chiamate che occupano la stessa frequenza sono otto e la potenza massima in uscita dal telefonino è pari a circa 2 Watt.

L'informazione digitalizzata viene compressa in piccoli periodi e inviata in diversi istanti temporali sotto forma di impulsi.

Per lo standard GSM le frequenze sono assegnate dagli enti regolatori internazionali e, un sottoinsieme di queste, è stato assegnato a TIM
Poiché questo numero di frequenze è molto limitato in relazione al numero di clienti TIM, risulterà di conseguenza limitato anche il numero di comunicazioni instaurabili contemporaneamente.
Al fine di incrementare tale capacità , il sistema di comunicazione radiomobile consente di utilizzare più volte le frequenze a disposizione, a condizione che le aree geografiche in cui le connessioni vengono effettuate, tramite frequenze uguali o prossime, siano a distanza opportuna, in relazione sia alla conformazione del territorio, sia alla tipologia delle strutture di rete impiegate.
Ciascuna zona in cui viene utilizzato un gruppo di frequenze viene detta cella (da cui il nome di sistemi cellulari). Celle contigue hanno frequenze diverse, mentre celle sufficientemente lontane da non disturbarsi possono riutilizzare le stesse frequenze.

Rappresentazione di un gruppo di 9 celle che utilizza tutte le frequenze a disposizione. Ciascuna cella è stata rappresentata in un colore diverso ad indicare il fatto che utilizza un insieme di frequenze diverse.

Se però le frequenze vengono riassegnate a celle troppo vicine fra loro, esse interferiranno degradando la qualità della comunicazione.
Nel sistema di telefonia radiomobile cellulare ciascuna stazione radio base (SRB) serve un gruppo di celle e può permettere a un numero limitato utenti, in funzione del numero di utenti (oggi circa 100)frequenze a disposizione della SRB stessa, di parlare contemporaneamente.
Pertanto, in una determinata zona, le stazioni devono essere distribuite in numero tanto più elevato quanto maggiore è l'utenza da servire.
La scelta dei luoghi ove installare le stazioni radio base deve essere effettuata quindi in modo da garantire:

la copertura radioelettrica di una determinata area geografica;

i minimi livelli di interferenza reciproca tra la nuova stazione e quelle preesistenti;

la possibilità di usufruire contemporaneamente del servizio per una determinata percentuale di utenti di quella zona;

l'esposizione della popolazione a livello di campo elettromagnetico conformi alle normative.

La rete GSM, che, pur permettendo la trasmissione di dati a commutazione di circuito, era stata concepita principalmente per fornire comunicazioni vocali, è stata nei primi anni del 2000 migliorata a livello tecnologico dall'introduzione di GPRS (General Packet Radio Service) e, a ruota, EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).

Il GPRS costituisce la soluzione che permette la trasmissione di dati a commutazione di pacchetto sulla rete GSM. Ricordiamo che nel caso di trasmissione a circuito le risorse vengono assegnate dall'inizio alla fine della chiamata, a prescindere dal fatto che vi sia o meno un effettivo scambio di informazione tra i due punti collegati. Nella commutazione di pacchetto invece, le risorse vengono impegnate soltanto per il tempo in cui c'è scambio di informazioni dopodichè vengono rilasciate. È quindi evidente il miglioramento di sfruttamento delle risorse spettrali rappresentato da tale passaggio. Con l'avvento del GPRS sono poi stati introdotti per la prima volta dei meccanismi automatici di adattamento alla qualità del collegamento: per ogni time slot utilizzato dal GPRS si possono avere bit rate variabili in funzione della qualità più o meno buona del collegamento (che, tipicamente si rispecchia in distanza piu' o meno grande tra RSB e terminale mobile). Il bit rate sperimentato dall'utente dipende da quanti time slot sono disponibili e da quanti utenti condividono la risorsa. L'adozione della tecnologia EDGE, caratterizzata da una tecnica trasmissiva più efficiente di quella GSM, ha poi permesso di incrementare sostanzialmente i bit rate fruibili.

Nel corso dei primi anni del 2000 è stato avviato il servizio commerciale della rete UMTS. Il sistema UMTS, diversamente dal GSM, utilizza una tecnica di accesso differente denominata Accesso Multiplo a Divisione di Codice (in inglese, CDMA - Code Division Multiple Access). Tale tecnica permette a più utenti di utilizzare simultaneamente la stessa frequenza perchè le diverse comunicazioni vengono distinte tramite dei "codici" che fungono da "targa identificativa" per ogni chiamata. Tali codici altro non sono che opportune sequenze con speciali proprietà matematiche che, utilizzate per elaborare il segnale lato trasmissione e lato ricezione, permettono la coesistenza di più comunicazioni contemporanee su un'unica frequenza. Il concetto viene usualmente spiegato rifacendosi all'analogia del cocktail party. In uno stesso salone (che nell'analogia proposta rappresenta la frequenza) molte coppie di persone possono dialogare simultaneamente in lingue (codici) diversi e comprendersi perfettamente. Questo a patto che nessuna coppia urli o che vi sia talmente tanta gente che parla da generare un rumore di fondo tale da non rendere piu' intellegibili le singole conversazioni. L'evoluzione ultima di UMTS, messa in campo nel corso degli ultimi anni, è costituita dal cosiddetto HSPA (High Speed Packet Acces). Ricorrendo a schemi trasmissivi adattativi molto avanzati ed efficienti, questa tecnologia permette all'utenza di stabilire connessioni a commutazione di pacchetto che possono, nel caso di condizioni favorevoli e disponibilità totale delle risorsa, raggiungere picchi di molti Mbit/s in particolare nella tratta SRB - terminale mobile.

Le antenne. Massima qualità del collegamento, minima potenza necessaria
Le antenne delle stazioni radio base sono progettate per permettere al sistema di funzionare con la minima potenza necessaria e per tenere sotto controllo le interferenze. Possono ad esempio essere paragonate al faro di un'automobile: la lampadina che vi è dentro è di bassa potenza e da sola sarebbe in grado di illuminare solo per qualche metro; inserita nel faro, che funziona da riflettore, riesce invece con la stessa potenza a illuminare per un centinaio di metri e principalmente nella direzione di interesse.

Analogamente al faro, l'antenna irradia il segnale solo davanti a sé ed è direzionata in modo molto preciso. Infatti, se si effettuano delle misure di campo elettromagnetico dietro e al di sotto dell'antenna stessa, si rilevano valori molto bassi.

Lo stesso principio è valido anche quando l'antenna è impegnata in ricezione per captare il segnale dei telefonini. Si può pensare ad un telescopio, più è grande più riesce a distinguere oggetti anche se questi emettono una luce fioca. Le antenne delle stazioni radio base permettono dunque di dirigere il segnale dove è necessario e riescono a sentire segnali anche molto deboli permettendo al sistema di funzionare con le minime potenze necessarie allo svolgimento del servizio.
Si comprende dunque come il terminale radiomobile abbia bisogno di pochissima energia per instaurare la comunicazione con la stazione radio base.
Non solo le stazioni radio base ma anche tutti i telefonini sono provvisti di antenne; esse generalmente emettono in tutte le direzioni e possono essere fisse od estraibili.
Queste due soluzioni tecniche, in termini di prestazioni e di emissioni elettromagnetiche, non presentano sostanziali differenze.
Per minimizzare ulteriormente la potenza in uscita e quindi ridurre il problema dell'interferenza e migliorare la qualità del servizio, i sistemi radiomobili sono stati progettati con altre particolari funzionalità: l'attivazione intelligente dei trasmettitori, il controllo di potenza e la trasmissione discontinua.
Quando un cliente accende il proprio telefonino, questo emette dei segnali per stabilire un contatto con la più vicina stazione radio base e informa la rete della sua presenza. Normalmente, il terminale che non ha attiva una chiamata, non trasmette tranne che brevissimi segnali a intervalli regolari per confermare alla rete la sua presenza.
Nel momento in cui l'utilizzatore del telefonino riceve una chiamata o decide di effettuarla, viene realizzata una connessione a due vie fra il telefono e la stazione radio base, e la chiamata viene allocata in un canale radio libero al quale , nel caso GSM, corrisponde una determinata frequenza (o uno specifico codice nel caso UMTS).

Attivazione intelligente:l'attivazione intelligente dei trasmettitori permette di disattivare un canale radio quando non viene utilizzato, in modo da attivarlo e trasmettere potenza solo quando si vuole parlare. Il controllo di potenza consiste nel regolare la potenza emessa (dal terminale e dalla stazione radio base) al fine di garantire una buona qualità della connessione con il minimo livello di emissione (ad esempio in funzione della distanza tra telefonino e stazione radio base). La trasmissione discontinua è una prestazione in grado di riconoscere le pause di silenzio durante il discorso e quindi evitare la trasmissione durante quelle pause.