Immersi nei campi

Immersi nei campi
Prof. Michele D’Amico
Struttura della presentazione
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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
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Elettromagnetismo e
radiazione
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Il Campo Elettrico
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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
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Il Campo Magnetico
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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
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Il Campo Elettromagnetico
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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
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Onde elettromagnetiche
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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
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Proprietà delle onde EM (radio)
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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”
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Modulazione
Modulazione di Ampiezza
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Modulazione di Frequenza
Lo spettro elettromagnetico
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Struttura di un sistema
wireless (radio)
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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
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Trasmettitore
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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)
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Ricevitore
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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)
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Antenne
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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.
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Fonti di alimentazione
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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
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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)
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Reti Wireless
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Passato, presente e futuro
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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
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Reti wireless
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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)
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Mappa dei sistemi wireless
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WWAN: Reti 3G e 3.5G (cellulari)
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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
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WWAN: Reti 3G e 3.5G (cellulari)
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Umano – umano
Voce
Messaggi multimediali
Videocall
Umano – macchina
Accesso ad Internet
Personal banking
Shopping
Servizi “location-based”
Accesso alle informazioni
Intrattenimento
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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)
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WPAN: Bluetooth
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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
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WPAN: Zigbee
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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
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Topologia di rete ZigBee
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Stella
Albero a cluster
ZC / Coordinatore
Mesh
ZR / Router
ZED / Terminale
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Radio Frequency Identification
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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)
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RFId: bande e portata
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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)
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RFID impiantato su mano umana
http://amal.net
L’utente:
Apre la porta di casa
Apre l’autovettura
Accede al suo computer
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Il futuro (molto prossimo)
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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
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Mobile di quarta generazione (4G)
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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)
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Reti UWB
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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
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Aspetti sanitari e
protezionistici
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Elettrosmog ?
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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)
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Sorgenti artificiali
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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
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Sorgenti artificiali
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Alle alte frequenze troviamo numerose sorgenti di
campo elettromagnetico: radio AM ed FM, TV,
stazioni per cellulari e cellulari, ponti radio, radar,
ecc.
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Effetti termici
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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
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Effetti termici – penetrazione
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Profondità di penetrazione in un dielettrico con
permittività pari a quella media del corpo umano (Durney
et al., 1986)
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Effetti termici – esempio
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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
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Effetti termici – conclusioni
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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)
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Non termici - introduzione
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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
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Effetti non termici
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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)
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Non termici - meccanismi
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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)
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Normativa - Limiti di base
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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)
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Normativa- Livelli di riferimento
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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)
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La ricerca nell’ambito dei
Campi EM
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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
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Grazie per l’attenzione !
Contatto:
Prof. Michele D’Amico - DEIB
[email protected]
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