Immersi nei campi
Prof. Michele D’Amico
Struttura della presentazione
2
Elettromagnetismo e radiazione
I sistemi wireless (radio)
Wide Area Network (reti cellulari, ecc.)
Local Area Network (Wi-Fi, reti autonomiche)
Personal Area Network (Bluetooth, Zigbee, UWB, IrDA)
Radio Frequency Identification (RFId)
Il futuro prossimo
Aspetti sanitari e protezionistici
Prof. Michele D’Amico – DEIB
3
Elettromagnetismo e
radiazione
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Il Campo Elettrico
4
Il Campo Elettrico E è una forza generata da cariche
elettriche (sia stazionarie che in moto), capace di
generare a sua volta delle “azioni a distanza” sulle
cariche elettriche (elettroni e protoni) di cui è
costituita la materia
Cariche dello stesso segno si respingono, di segno
opposto si attraggono
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Il Campo Magnetico
5
Il Campo Magnetico H è una forza generata da
correnti elettriche (cioè da cariche in moto) nei
circuiti
Se le correnti sono continue (non cambiano nel
tempo) anche il campo H è statico (ad es. il campo
magnetico terrestre)
Le forze che si generano tra circuiti sono simili a
quelle che “obbligano” l’ago della bussola ad
orientarsi verso nord
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Il Campo Elettromagnetico
6
Se le correnti sono variabili nel tempo (ad es.
corrente alternata sinusoidale) si generano un
campo magnetico H ed un campo E variabili nel
tempo che si “sostengono” a vicenda
Nasce il Campo Elettromagnetico
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Onde elettromagnetiche
7
Un’onda elettromagnetica è composta da un campo
elettrico ed un campo magnetico che si supportano a
vicenda
Un’onda elettromagnetica è in grado di trasportare
energia nello spazio (anche vuoto)
All’onda che viaggia viene aggiunta l’informazione
(modulazione) che si desidera trasportare
Sarà compito del ricevitore estrarre l’informazione
dall’energia ricevuta
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Proprietà delle onde EM (radio)
8
Frequenza (numero di oscillazioni al secondo)
MHz: milioni di oscillazioni al secondo
GHz: miliardi di oscillazioni al secondo
Polarizzazione (orientazione del campo elettrico)
Potenza trasportata
Modulazione (modo in cui l’informazione è aggiunta)
Modulazione di ampiezza (AM)
Modulazione di frequenza (FM)
Modulazioni “digitali”
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Modulazione
Modulazione di Ampiezza
Prof. Michele D’Amico – DEIB
9
Modulazione di Frequenza
Lo spettro elettromagnetico
Prof. Michele D’Amico – DEIB
10
11
Struttura di un sistema
wireless (radio)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Struttura di un sistema wireless
Un sistema wireless è composto (almeno) da
Un trasmettitore
Un’antenna trasmittente
Fonte di alimentazione per il trasmettitore
Un ricevitore
Un’antenna ricevente
Fonte di alimentazione per il ricevitore
Prof. Michele D’Amico – DEIB
12
Trasmettitore
13
Compito del trasmettitore è:
Generare un segnale alla frequenza desiderata
Sovrapporre al segnale l’informazione (modulazione)
Amplificare il segnale modulato fino ai livelli di potenza
richiesta con la massima efficienza possibile
Parametri del trasmettitore:
Frequenza di lavoro (banda)
Modulazione o standard di trasmissione
Potenza in antenna (consumi energetici)
Tipologia di antenna (interna / esterna)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Ricevitore
14
Compito del ricevitore è:
Amplificare il debole segnale ricevuto dall’antenna
Estrarre l’informazione dal segnale (de-modulazione)
Controllare la correttezza dell’informazione (disturbi,
interferenze, tentativi di hacking, ecc.)
Agire in base al contenuto ricevuto
Parametri del ricevitore:
Frequenza di lavoro (banda)
Modulazione o standard di ricezione
Sensibilità
Tipologia di antenna (interna / esterna)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Antenne
15
Le antenne sono trasduttori: convertono
l’energia elettromagnetica dalla forma guidata a
quella radiata.
Sono normalmente dispositivi passivi: non
possono generare potenza
I parametri più importanti:
Banda di funzionamento (MHz)
Guadagno (dB)
Larghezza del fascio (gradi)
Potenza sopportabile, intermodulazione, ecc.
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Fonti di alimentazione
16
Se c’è accesso alla rete elettrica non c’è problema
I dispositivi portatili o mobili utilizzano batterie
Può essere conveniente alimentare a batteria anche
dispositivi fissi (niente cablaggi)
La durata delle batteria è critica; occorre ottimizzare:
Potenza trasmessa
Capacità di calcolo
Tempo di “veglia” dei terminali
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Energia: il futuro prossimo
MEMS
Estraggono energia da luce, calore,
vibrazioni
MEMS on-chip producono oggi fino a 8 mW
E’ realistico arrivare fino a 50 mW continui
Micro generatore termoelettrico (ETH)
Genera 100 µW/cm2 con ∆T=5 K;
realizzato per deposizione elettrochimica di
Cu e Ni
Generatore MEMS (MIT)
Le vibrazioni meccaniche sono
convertite in energia elettrica
utilizzando un condensatore variabile
MEMS (1.5 x 0.5 cm)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
17
18
Reti Wireless
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Passato, presente e futuro
19
Fino alla metà degli anni ’80 (circa) la “radio” era
utilizzata principalmente per:
Diffusione radio-televisiva (broadcasting)
Trasporto a media e lunga distanza
(ponti radio a microonde per telefonia, ecc.)
A partire dalla metà degli anni ’80:
Il trasporto è diventato marginale rispetto all’accesso
(breve distanza)
L’accesso sta “comprimendo” anche la diffusione
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Reti wireless
20
WWAN (Wireless Wide Area Network)
Copertura regionale, nazionale o sovranazionale
WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)
Copertura cittadina
WLAN (Wireless Local Area Network)
Copertura locale (un edificio, un gruppo di stanza)
WPAN (Wireless Personal Area Network)
Copertura “personale” (fino a 10 metri)
RFId (Radio Frequency Identification)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Mappa dei sistemi wireless
Prof. Michele D’Amico – DEIB
21
WWAN: Reti 3G e 3.5G (cellulari)
22
Sono reti costituite da:
Stazioni radio base
Terminale di utente (cellulari)
Caratteristiche:
Frequenze: 900 MHz, 1800 MHz
Potenze:
Stazione radio base: circa 40 W
Terminale utente: 2 W massimo
Capacità 3.5G: fino a 42 Mb/s in
downlink e 5,7 Mb/s in uplink
Prof. Michele D’Amico – DEIB
WWAN: Reti 3G e 3.5G (cellulari)
23
Umano – umano
Voce
Messaggi multimediali
Videocall
Umano – macchina
Accesso ad Internet
Personal banking
Shopping
Servizi “location-based”
Accesso alle informazioni
Intrattenimento
Prof. Michele D’Amico – DEIB
WLAN: Wi-Fi (e sue variazioni)
Sono reti costituite da:
Un hub di accesso
(router)
Terminali (client WiFi)
Caratteristiche:
Frequenze: 2,4 GHz, 5,5 GHz
Potenza: circa 0,1 W (100 mW)
Portata: fino a 100 metri
Capacità: fino a 300 Mb/s (standard 802.11n)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
24
WPAN: Bluetooth
25
Sono reti costituite da:
Un master (server)
Uno o più slave
Caratteristiche:
Frequenza: 2,4 GHz
Potenza: circa 0,01 W (10 mW)
Portata: fino a 10 metri
Capacità: qualche Mb/s
Prof. Michele D’Amico – DEIB
WPAN: Zigbee
26
Sono reti “ad-hoc” costituite da:
Nodi coordinatori (ZC)
Nodi router (ZR)
Nodi terminali (ZED)
Caratteristiche:
Frequenza: 868 MHz, 2,4 GHz
Potenza: inferiore a 0,01 W (10 mW)
Portata: qualche decina di metri
Capacità: da 20 a 200 kb/s
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Topologia di rete ZigBee
27
Stella
Albero a cluster
ZC / Coordinatore
Mesh
ZR / Router
ZED / Terminale
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Radio Frequency Identification
28
Il modello di trasmissione richiede due diversi dispositivi:
Tag
Reader
Composto generalmente da:
Composto generalmente da:
Modulo RF e mod/demod
Memoria interna
Unità di processing
Logica di controllo e algoritmo di anticollisione
Batteria o interfaccia per rete elettrica
Interfaccia per trasmettere i dati letti
Modulo RF Circuito per estrarre energia
(passivi) o batteria (attivi)
Memoria E2PROM per memorizzare l’ID
Logica di controllo e algoritmo di anticollisione
(sensori)
(unità di processing)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
RFId: bande e portata
29
Frequenza
Distanza tipica
Accoppiamento
Note
125 kHz
1-5 cm
Induttivo
Antenna con molti
avvolgimenti
13.56 MHz
50-100 cm
Induttivo
5 avvolgimenti nel
formato carta di
credito
860-930 MHz
2-12 m
Elettromagnetico
Semplice dipolo
2450 MHz
1-2 m
Elettromagnetico
Semplice dipolo
La distanza massima di lettura è calcolata con una potenza massima di
4W EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
RFID impiantato su mano umana
http://amal.net
L’utente:
Apre la porta di casa
Apre l’autovettura
Accede al suo computer
Prof. Michele D’Amico – DEIB
30
Il futuro (molto prossimo)
31
Reti radiomobili di quarta generazione
Altissima velocità per applicazioni nomadiche e mobili
Ultra-Wide Band a 60 GHz
Reti autonomiche wireless
Autonomamente controllate, auto-organizzanti,
distribuite (reti di sensori, reti veicolari, ecc.)
Internet degli oggetti
Identificazione a RF (RFID) pervasiva
Sensori e RFID
Applicazioni innovative anche per la salute umana
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Mobile di quarta generazione (4G)
32
Elevata velocità:
1 Gb/s "nomadico" (dispositivo mobile stazionario)
100 Mb/s in piena mobilità
I terminali 4G sono “nodi” Internet
Celle “radio base” innovative
celle outdoor, simili alle stazioni base attuali
celle indoor (a casa, in ufficio, ecc.)
celle “mobili” all'interno di veicoli (auto, treni, aerei, ecc.)
Integrazione con i sistemi di navigazione
(GPS 3, Galileo)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Reti UWB
33
Sono reti a corto raggio e
alta capacità
Diversi standard in
competizione tra loro
(IEEE 802.11ad,
WirelessHD)
Caratteristiche:
Frequenza: 60 GHz
Portata: 10 metri, se in visibilità
Capacità: fino a 7 Gb/s
Prof. Michele D’Amico – DEIB
34
Aspetti sanitari e
protezionistici
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Elettrosmog ?
35
Esistono numerose sorgenti naturali di campo
elettromagnetico: la Terra (campo magnetico), il
Sole (campo EM), la Galassia (campo EM)
Si parla di “inquinamento” perché le sorgenti
artificiali dei campi elettromagnetici sono in
genere molto più intense di quelle naturali
In alcuni casi le sorgenti artificiali emettono campi
elettromagnetici come “scarti” (elettrodotti), in altri
devono farlo per poter funzionare (cellulari, TVM)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Sorgenti artificiali
36
A basse frequenze troviamo gli elettrodotti, che
servono a trasportare energia elettrica
Gli elettrodotti generano campi elettrici e magnetici;
solo i campi magnetici sono “inquinanti”, perché i
campi elettrici sono in pratica schermati da qualsiasi
materiale
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Sorgenti artificiali
37
Alle alte frequenze troviamo numerose sorgenti di
campo elettromagnetico: radio AM ed FM, TV,
stazioni per cellulari e cellulari, ponti radio, radar,
ecc.
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Effetti termici
38
L’interazione avviene tramite le forze esercitate dai
campi elettrici e magnetici sulle cariche presenti nei
tessuti organici
Le cariche tendono a muoversi, ma vengono
ostacolate dalla resistenza offerta dai tessuti
Ciò si traduce in ultima analisi in un riscaldamento
dei tessuti organici (effetto termico)
Se il sistema termoregolatore non è in grado di
compensare tale riscaldamento, nell’organismo si
produce un danno
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Effetti termici – penetrazione
39
Profondità di penetrazione in un dielettrico con
permittività pari a quella media del corpo umano (Durney
et al., 1986)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Effetti termici – esempio
40
Aumento della
temperatura in una testa
umana esposta a un
cellulare operante a
1900 MHz, su celle
cubiche di 3mm o
mediato su 1 g; vista
frontale
N.B: 1°C=SAR 4 W/kg
mediato su 10g
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Effetti termici – conclusioni
41
L’esposizione di un soggetto umano a un segnale a
radiofrequenza comporta un assorbimento di
energia in quest’ultimo
L’assorbimento di energia è fortemente
disomogeneo e variabile con la frequenza a causa
della meccanica dell’interazione
L’assorbimento di energia è limitato ai tessuti
superficiali per segnali oltre alcuni GHz
L’effetto è il riscaldamento dei tessuti interessati,
compensato dal sistema termoregolatore corporeo
(circolazione)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Non termici - introduzione
42
Le interazioni fin qui viste provocano, in ultima
analisi, un aumento della temperatura nei tessuti
Quando tale aumento supera le capacità di
compensazione dell’organismo, quest’ultimo
subisce un danno
Alcuni studi hanno evidenziato la possibilità che
anche intensità di campo non in grado di produrre
un riscaldamento misurabile possano provocare
effetti biologici
Questi ultimi sono gli effetti biologici non termici
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Effetti non termici
43
Meccanismi noti:
Effetti non termici a medio-alta potenza (microwave
hearing)
Effetti in corso di studio i cui meccanismi sono
ignoti:
Effetti non termici a bassa potenza (genotossicità, effetti
funzionali su sistemi sensoriali, sistemi cerebrali
superiori, sistemi cognitivi)
Tumori e cancerogenesi (leucemia infantile, neurinoma
dell’acustico)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Non termici - meccanismi
44
Con quali meccanismi potrebbero verificarsi gli
effetti non termici?
Le radiazioni NIR non hanno energia sufficiente a
rompere neppure i più deboli legami chimici,
pertanto non possono danneggiare direttamente il
DNA
Al momento attuale sono accertati solo gli effetti dei
campi magnetici a bassa frequenza (rete ad alta
tensione)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Normativa - Limiti di base
45
La norma si basa sui soli effetti termici (acuti)
Numerosi studi hanno permesso di definire i valori
di soglia di J, SAR, S per i quali si verifica un
danno di tipo termico
Queste sono grandezze riferite alle condizioni
interne al corpo umano, e pertanto misurabili solo
in laboratorio
Dividendo tali valori di soglia per un adeguato
fattore di sicurezza (compreso fra 5 e 10), si
ottengono i Limiti di Base (sempre interni)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Normativa- Livelli di riferimento
46
Il campo EM esistente all’esterno del soggetto viene
invece descritto da altre grandezze, quali:
Campo Elettrico E
Campo Magnetico H
Densità di Potenza incidente S
Grandezze interne ed esterne vengono correlate
tramite la Dosimetria
I Limiti di Base (interni) sono quindi convertiti nei
corrispondenti Livelli di Riferimento di E, H ed S
(esterni)
Prof. Michele D’Amico – DEIB
47
La ricerca nell’ambito dei
Campi EM
Prof. Michele D’Amico – DEIB
Argomenti di ricerca “caldi”
Antenne “intelligenti” (riconfigurabili)
Radiopropagazione ad altissima frequenza
Nano-antenne e nano-dispositivi
Effetti biologici dei campi elettromagnetici
Sviluppo di dispositivi elettronici ad altissima
frequenza e basso consumo
Prof. Michele D’Amico – DEIB
48
Grazie per l’attenzione !
Contatto:
Prof. Michele D’Amico - DEIB
[email protected]
Prof. Michele D’Amico – DEIB
49