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Antenne
A n t en n e u sa t e n el sist em a G S M ( cen n i)
Antenne isotrope (omnidirezionali) .................................................................................. 1
Area di rispetto ............................................................................................................. 2
Antenne direzionali ........................................................................................................ 2
Base Transceiver Station (BTS) ....................................................................................... 3
Il Frequency-Hopping .................................................................................................... 3
Alcuni dettagli implementativi di una stazione BTS ........................................................... 4
Antenne omnidirezionali a basso guadagno ................................................................... 4
Antenna diversity ........................................................................................................ 4
Il fading ................................................................................................................... 4
Splitting ..................................................................................................................... 5
Sectoring (antenne direzionali ad alto guadagno) ........................................................... 5
Tilting........................................................................................................................ 6
Esempi di possibili configurazioni per una stazione BTS ................................................... 6
Settori TIM .................................................................................................................... 9
BTS mobili ................................................................................................................... 10
Dove sono installate le BTS? ......................................................................................... 10
Antenne isotrope (omnidirezionali)
Le antenne si definiscono isotrope quando sono in grado di indirizzare
uniformemente il segnale in tutte le direzioni. Riassumiamo nel seguito alcune
formule di interesse.
Detta P t la potenza irradiata da una antenna trasmittente e r la distanza
dall'antenna, si definisce densità di potenza a distanza r la seguente quantità:
S = P t /4pr 2 (watt/m 2 )
Non tutta la densità di potenza S i incidente su un'antenna ricevente riesce ad
essere prelevata e posta in uscita dall'antenna (P u ). Di questa “perdita” tiene conto
il parametro area equivalente:
A eq = P u /S i
Tenendo conto dell'attenuazione introdotta dallo spazio libero e dell'area
equivalente, possiamo definire una attenuazione di base che tiene conto proprio
del rapporto tra potenza irradiata in trasmissione (P t ) e potenza in uscita
dall'antenna in ricezione (P u ):
A sl = 10 log P t /P u (dB)
Le antenne omnidirezionali hanno la classica forma a frusta, con lunghezze in
genere comprese tra i 60 e i 300 cm di lunghezza e con un diametro variabile tra 5
e 12 cm. La potenza viene convogliata, verticalmente, entro un angolo di circa 60
Antenne
gradi rispetto al piano perpendicolare all'antenna. Orizzontalmente, come ovvio, la
potenza è equamente distribuita lungo tutte le direzioni.
L’area di rispetto attorno all'antenna, che deve essere interdetta alla
popolazione per evitare di esporla a campi elettrici elevati, può essere
rappresentata da un cilindro con raggio calcolato in base alle potenze di emissione
dei gestori: in Italia, sono 4,8 m. La base del cilindro va posta 1,6 m sotto
l'antenna.
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Le stazioni radio base sono installate in posizione sempre rialzata dal terreno,
almeno 12 metri; le antenne sono posizionate in modo da irradiare il segnale a
distanza, limitando il più possibile l'emissione di radiazioni elettromagnetiche
nelle aree circostanti accessibili alla popolazione. Attraverso una complicata
modellizzazione matematica è possibile calcolare l’area di rispetto per ogni
configurazione possibile di stazione radio base, sia che utilizzi antenne
omnidirezionali sia che utilizzi antenne direttive. E' così possibile valutare con
precisione le distanze di protezione sanitaria, cioè il volume attorno alla
stazione che deve essere interdetto alla popolazione.
Antenne direzionali
Nel caso in cui l'antenna non abbia un comportamento isotropo, ma concentri il
flusso di potenza entro un cono prestabilito (antenna direzionale), occorre
introdurre un nuovo parametro: si definisce infatti guadagno nella direzione a,
indicato con G(a), il rapporto tra la potenza che dovrebbe irradiare un'antenna
isotropa (P is ) per ottenere un campo elettrico E e la potenza che irradia una
antenna direzionale (P t ) per produrre, lungo la direzione a, lo stesso campo elettrico
E. Scriviamo perciò che
G(a) = P is /P t
P t = G(a)*P is
Si parla poi di guadagno dell'antenna riferendosi implicitamente alla direzione
di massimo irraggiamento dell'antenna direzionale.
Un pannello direzionale ha solitamente le dimensioni seguenti: lunghezza tra
120 e 150 cm, larghezza tra 15 e 30 cm, profondità tra 15 e 20 cm. Al fine di
minimizzare l'impatto ambientale, si adottano antenne di dimensioni limitate. Ad
esempio, Omnitel utilizza pannelli con le seguenti dimensioni: lunghezza minore di
130 cm, larghezza minore di 25 cm e spessore minore di 10 cm.
La potenza viene convogliata, verticalmente, entro un angolo di circa 15 gradi
rispetto al piano perpendicolare al pannello; orizzontalmente entro l'angolo di
apertura previsto (60°, 90° o 180°). L'apertura verticale del lobo di illuminazione
dipende dalla dimensione in altezza del pannello stesso: più è alto più ristretto è
l'angolo e viceversa.
L’area di rispetto attorno al pannello può essere in questo caso rappresentata da
un parallelepipedo con le seguenti dimensioni: base posta 1,6 m sotto il pannello,
distanza frontale 10 m, distanza laterale 5 m, distanza posteriore 1,6 m.
Chiaramente queste misure sono generiche e sovrastimate; esistono dei modelli
matematici che permettono la definizione dell'area di rispetto per ogni tipologia di
pannello direzionale utilizzato (in base all'angolo di apertura orizzontale: 60°, 90° o
180°).
Autore: Sandro Petrizzelli
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Antenne usate nel sistema GSM (cenni)
Figura 1 - Dimensione antenne, sia a frusta che a pannello.
Per fornire una copertura radioelettrica all'interno degli edifici schermati dal
segnale esterno, sono state progettate delle apposite antenne per uso indoor.
Base Transceiver Station (BTS)
Con il termine BTS si indica l'unità funzionale costituita dall'insieme dei
transceiver (ricetrasmettitori) e degli apparati che consentono di fornire la
copertura radio ad una cella. Solitamente ci si riferisce alle BTS anche con il
termine Stazioni Radio Base. Le BTS gestiscono la comunicazione radio con le MS
esplicando diverse funzioni, quali:
•
•
•
•
•
•
Frequency Hopping
Discontinuous Trasmission (DTX)
Dynamic Power Control (DPC)
Antenna Diversity
Gestione degli algoritmi di cifratura.
Monitoraggio della connessione radio mediante misurazioni sulla qualità
dei canali di segnalazione e traffico ed inoltro di queste al BSC affinché le
elabori e prenda le necessarie decisioni.
I requisiti fondamentali richiesti ad una BTS sono la regolarità di funzionamento,
l'affidabilità, la compatibilità e il minimo costo dato il grande numero di BTS
dispiegate sul territorio, specialmente nelle aree urbane più estese.
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Una importante caratteristica della gestione dell'interfaccia radio è il salto di
frequenza (frequency hopping, FH). Consiste nel trasmettere messaggi successivi
di una stessa comunicazione su frequenze portanti diverse, mantenendo però
sempre lo stesso time slot assegnato inizialmente. In questo modo si riescono a
combattere efficacemente quei problemi legati direttamente alla propagazione
radio, ad esempio fenomeni di fading o battimenti che si possono verificare,
temporaneamente, solo su una certa frequenza.
Nel caso di implementazione del FH, un canale fisico è identificato, oltre che
dal numero di trama (FN) e di timeslot (TS), anche da una traiettoria nel tempo
che evidenzia le frequenze portanti su cui si sposta il time-slot ad ogni trama.
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Autore: Sandro Petrizzelli
Antenne
Alcuni dettagli implementativi di una stazione BTS
Una stazione radio base è essenzialmente costituita da un traliccio sul quale
sono collocate diverse antenne (Fig.3). Se possibile, si tenta di utilizzare edifici e
torri già esistenti (Fig.6). Non è raro vedere transceiver GSM installati sui tralicci
radiotelevisivi RAI e Mediaset oppure appesi alle cisterne degli acquedotti.
Ovviamente il tutto è finalizzato a minimizzare sia i costi di realizzazione che
l'impatto ambientale provocato.
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La struttura più semplice prevede solo due antenne (una per ricevere e una per
trasmettere) di tipo omnidirezionali a frusta (Fig.4-1), cioè in grado di "illuminare"
uniformemente il segnale in tutte le direzioni. La BTS si trova quindi al centro della
cella che irradia. Questa soluzione è usata per "coprire" zone a bassa intensità di
traffico, ad esempio autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti.
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Per migliorare la qualità del segnale ricevuto spesso si utilizzano due antenne
riceventi, poste a qualche lunghezza d'onda di distanza (un'onda a 900 MHz ha una
lunghezza d'onda di 30 cm). Questa tecnica, nota come Antenna diversity o
diversità nello spazio, consente di attenuare i problemi connessi al fading. Le
antenne possono essere spaziate verticalmente o orizzontalmente; nel primo caso si
ha una maggiore facilità di installazione, mentre nel secondo caso si hanno
prestazioni superiori.
Il fading
La propagazione delle onde elettromagnetiche, non avvenendo in uno spazio
libero ideale, è influenzata da diversi fenomeni: riflessione (contro ostacoli di
dimensioni maggiori della sua lunghezza d'onda), rifrazione (nel passaggio da
un mezzo trasmissivo ad un altro, ad es. aria-cemento) e diffrazione. Di
particolare interesse il fenomeno della riflessione, che può provocare degli
improvvisi e momentanei affievolimenti del segnale ricevuto che vengono indicati
come fading (evanescenza). Possono essere di diversi tipi:
•
fading lento, dovuto alla presenza di grossi ostacoli (colline o grossi edifici)
che creano delle zone d'ombra;
•
fading veloce, dovuto alla presenza di numerose superfici riflettenti che
fanno giungere all'antenna ricevente numerosi segnali, tutti con fasi
diverse. Quando questi sono in opposizione di fase determinano un fading
profondo;
•
fading di Rice, quando all'antenna giunge un segnale diretto (l'antenna
trasmittente è in visibilità ottica) e diversi segnali riflessi.
Per ridurre gli effetti del fading vi sono due metodi:
•
Diversità nello spazio (Antenna diversity). Si utilizzano due antenne
riceventi, poste a qualche lunghezza d'onda di distanza. Dato che i
segnali ricevuti dalle due antenne compiono percorsi diversi è meno
probabile che entrambe sia affette contemporaneamente da fading.
Autore: Sandro Petrizzelli
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Antenne usate nel sistema GSM (cenni)
•
Diversità di frequenza (Frequency diversity). Si trasmette lo stesso
segnale a frequenze diverse; infatti se una frequenza è soggetta a fading,
ad un'altra frequenza essa non si verifica (cambiano le fasi). E' anche
nota come frequency hopping.
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Per aumentare la capacità di traffico in aree densamente popolate, mantenendo
nel contempo la copertura radio con celle grandi nelle aree a bassa densità di
traffico, si ricorre allo splitting. Una tecnica che consiste nel suddividere una cella
di dimensioni relativamente grandi in un certo numero di celle più piccole.
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Utilizzando antenne omnidirezionali, lo splitting richiede l'installazione di nuove
BTS con un aumento dei costi e dell’interferenza di cocanale. Una possibile
alternativa è quella di suddividere una cella in un certo numero di settori, ognuno
dei quali è "illuminato" da una antenna direttiva (o pannello), cioè un'antenna che
non "illumina" uniformemente in tutte le direzioni, ma concentra il flusso di
potenza entro un cono prestabilito. Ogni settore può così essere considerato come
una nuova cella. L'utilizzo di antenne direzionali riduce le interferenze di cocanale
e consente ad uno stesso sito cellulare di illuminare più celle (o settori).
Interferenza di cocanale
Se la distanza tra due trasmettitori che operano sulle stesse frequenze non è
sufficientemente grande, può accadere che ad una MS arrivino, sullo stesso
canale, i segnali di due o più celle, dando così origine ad un fenomeno di
interferenza noto come interferenza di cocanale. La capacità di un sistema
radiomobile è quindi limitata dalla capacità di riutilizzo delle frequenze.
Una struttura tipica è quella del sito tricellulare, detto anche clover, in cui si
hanno 3 celle per sito, ognuna servita da un'antenna trasmittente e due antenne
riceventi direttive (una sola se l'antenna diversity non è implementata); ogni settore
ha direzione di puntamento separata di 120° rispetto agli adiacenti. E' utilizzata
anche la struttura bicellulare in cui si hanno due celle per sito con le antenne dei
due gruppi disposte back-to-back lungo la stessa direzione (con verso di
illuminazione opposto). Raramente utilizzata, soprattutto qui in Italia, la
configurazione con quattro settori a 90° (cioè con i settori disposti sui lati di un
quadrato).
Figura 2 – Possibili disposizioni dei settori in una stazione BTS
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Autore: Sandro Petrizzelli
Antenne
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L'utilizzo di antenne direttive riduce le interferenze lungo certe direzioni, ma le
aumenta nella direzione di massimo irraggiamento. Ad esempio, si deve
assolutamente evitare che le antenne di due BTS si "guardino" direttamente. Per
ridurre queste interferenze, si introduce un tilt sulle antenne, cioè un'inclinazione
verso il basso, di pochi gradi, della direzione di puntamento. Il tilting viene
utilizzato anche per regolare il raggio di copertura della cella: più le singole
antenne sono tiltate verso il basso, minore sarà il raggio della cella.
Il tilting può essere di tipo meccanico, montando un apposito kit per inclinare le
antenne, oppure di tipo elettrico (senza nessun intervento meccanico sulle antenne
stesse) molto più agevole.
Esempi di possibili configurazioni per una stazione BTS
Per cercare di rendere più chiare le note sopra esposte, ecco alcuni esempi di
possibili configurazioni per una BTS.
Figura 3 - BTS in configurazione clover.
In figura 3 sono ritratte due stazioni radio base. La BTS a sinistra è installata su
un traliccio d'illuminazione di uno stadio, la BTS a destra su un traliccio metallico
autoportante. In entrambe si notano i tre settori, ciascuno composto da 3 antenne
direzionali a pannello montate orizzontalmente. Una BTS che irradia 3 settori è
detta in configurazione clover; entrambe le BTS di fig.3 sono quindi dei clover.
Ogni settore "gestisce" una cella. Il numero dei settori complessivamente
installati sul sito determina il numero di celle irradiate nel complesso dalla BTS.
Ciascun settore è composto da due antenne riceventi esterne e da un'antenna
trasmittente al centro. La presenza di due antenne riceventi per settore evidenzia
che queste BTS implementano l'antenna diversity. In un settore i pannelli
direzionali possono essere installati indifferentemente sia in senso orizzontale
(Fig.3) che verticale (Fig.4.3).
Autore: Sandro Petrizzelli
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Antenne usate nel sistema GSM (cenni)
Fig.4-1 - BTS monocellulare
Fig.4-2 - BTS bicellulare
Fig.4-3 - BTS clover
In fig.4.1 è ritratta una BTS monocellulare della rete GSM austriaca A1.
Installata su traliccio autoportante, dispone di due antenne omnidirezionali senza
antenna diversity. E' il tipo più semplice e meno costoso, ma anche meno
performante.
In fig.4.2 abbiamo invece un esempio di BTS bisettoriale (bicellulare). Anch'essa
installata su traliccio autoportante, dispone di 2 settori disposti back-to-back con
antenne direzionali e antenna diversity (3 pannelli per settore). Alcune volte in
questa tipologia di BTS le antenne trasmittenti sono poste su un piano rialzato
rispetto alle riceventi per evitare interferenze dovute al sovrapporsi dei lobi di
illuminazione in ricezione e in trasmissione (180°).
In fig.4.3 è ritratta una BTS trisettoriale clover di tipo a basso impatto visivo ed
ambientale, con dispositivi di duplice (configurazione molto utilizzata in Germania
e Austria). Dispone di 3 settori, ognuno formato da 2 pannelli montati
verticalmente. Utilizza un dispositivo di duplice abbinato a tecniche di diversità
di polarizzazione che consente di realizzare i settori con due sole antenne pur
continuando ad implementare l'antenna diversity.
In questa tipologia, un pannello a doppia polarizzazione è utilizzato sia in
trasmissione che in ricezione (ad es. trasmette in polarizzazione verticale e riceve in
polarizzazione orizzontale), l'altro invece è utilizzato solo in ricezione in
polarizzazione opposta rispetto al primo.
Fig.5 - BTS clover con una antenna a doppia polarizzazione per settore.
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Autore: Sandro Petrizzelli
Antenne
In fig.5 infine un esempio di BTS utilizzata per ridurre al massimo l'impatto
ambientale,
ove
necessario
per
particolari
esigenze
architettoniche
o
paesaggistiche. Rinunciando all'antenna diversity è infatti possibile realizzare un
settore con una sola antenna a doppia polarizzazione.
Come contropartita alle configurazioni degli esempi di fig.4.3 e fig.5, si ottiene un
aumento dei costi e uno scadimento delle prestazioni rispetto a BTS clover
tradizionali (3 antenne per settore). Il raggio di copertura della cella risulta più
piccolo e richiede l'installazione di un numero maggiore di BTS.
Se possibile si tenta di utilizzare edifici e torri già esistenti e si tenta di prendere
in considerazione la riconversione d’uso di vecchi edifici, soprattutto nelle aree
urbane (Fig.6).
Fig.6 - Esempi di BTS installate sopra i palazzi (roof top).
In fig.7 due esempi di BTS installate, in paesi di montagna, con un minimo
impatto ambientale sulle facciate di campanili. In questo modo si è risparmiato
l'uso di un vistoso e antiestestico traliccio metallico (tra l'altro, in entrambi i casi,
presente a poche centinaia di metri ospitante le BTS del gestore concorrente).
Fig.7 - Esempi di BTS installate (e mimetizzate) sulle facciate di campanili.
In fig.8 sono riportati due splendidi esempi di mimetizzazione possibile per una
BTS. A destra tre pannelli installati sulla facciata di una torre antica, a sinistra un
sito omnidirezionale installato rooftop su un palazzo antico, con le antenne a
ricordare normali dei parafulmini. Si può concludere che, volendolo, sarebbe
Autore: Sandro Petrizzelli
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Antenne usate nel sistema GSM (cenni)
davvero possibile rendere invisibili le installazioni radio delle reti cellulari.
Purtroppo i costi maggiori da sostenere ne limitano l'uso solo nei casi veramente
indispensabili.
Fig.8 - Esempi di BTS straniere perfettamente mimetizzate.
Per concludere la carrellata sulle possibili configurazioni di una stazione radio
base, ecco in fig.9 un esempio di BTS per uso ferroviario. Disposta lungo la linea,
utilizza particolari panneli con un cono di apertura orizzontale estremamente
ridotto. Presto ne vedremo installate parecchie lungo le nostre linee, il futuro delle
comunicazioni ferroviarie tra terra e bordo è proprio nel sistema GSM.
Fig.9 - Esempio di BTS per uso ferroviario installata lungo una linea.
Settori TIM
La TIM gestisce in Italia sia la rete GSM che la rete analogica E-TACS, la maggior
parte dei siti installati risultano quindi condivisi fra i due sistemi. In particolare
ogni settore dispone di antenne riceventi condivise e di un'antenna trasmittente
dedicata per ciascun sistema. Ciò spiega perchè i settori TIM sono costituiti, nella
maggior parte, da quattro e non tre antenne.
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Autore: Sandro Petrizzelli
Antenne
Fig.10 - Dettaglio di un settore di una BTS TIM.
Attenzione però, perché non tutti i siti TIM sono condivisi, ne esistono alcuni
soltanto GSM o E-TACS. In questo caso i settori sono giustamente composti da 3
antenne.
BTS mobili
Sia TIM che Omnitel dispongono di un certo numero di stazioni radio montate su
postazioni mobili (ad es. semirimorchi) e spostate di volta in volta secondo le
necessità. Vengono utilizzate per aumentare la capacità di traffico in occasione di
particolare eventi (vedi Gran Premio F1 a Monza) o durante periodi di tempo limitati
(vedi località di villeggiatura nel periodo estivo). Si rivelano anche estremamente
utili per coprire temporaneamente luoghi sede di eventi naturali catastrofici
(incendi, inondazioni, terremoti, trombe d'aria, etc.) in modo da favorire gli aiuti
della protezione civile.
Dove sono installate
inst allate le BTS?
Le postazioni preferite per le BTS Omnitel sono:
•
•
•
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•
il tetto dei fabbricati (sono preferiti alberghi o fabbriche per questioni
burocratiche) (Fig.6)
le cisterne degli acquedotti
le torri di illuminazione degli impianti sportivi (Fig.3-1)
i tralicci o i ponti radio televisivi delle emittenti radio o TV locali o più
tipicamente della RAI
i tralicci autoportanti dedicati se proprio non si trova altra collocazione
(Fig.3-2).
Le stazioni BTS Omnitel sono installate solitamente:
•
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•
sulle proprietà Omnitel e Olivetti
alle uscite dei caselli autostradali o nelle aree di servizio (su tralicci)
nel centro storico della città nei pressi della piazza centrale
vicino allo stadio e alla stazione FS
nelle immediate vicinanze degli aeroporti (solitamente sopra gli uffici)
nelle zone industriali o artigianali.
Autore: Sandro Petrizzelli
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Antenne usate nel sistema GSM (cenni)
Per TIM il discorso è un tantino differente: il 90% delle BTS è installato su
traliccio nelle proprietà TelecomItalia, solo in casi estremi sono collocate su
postazioni a pagamento. Rimangono comunque valide le considerazioni appena
esposte per le ubicazioni preferite (proprietà TelecomItalia permettendo).
Autore: Sandro Petrizzelli
e-mail: [email protected]
sito personale: http://users.iol.it/sandry
succursale: http://digilander.iol.it/sandry1
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Autore: Sandro Petrizzelli