Controllo ambientale degli agenti fisici: nuove prospettive e problematiche emergenti - Vercelli, 24-27 marzo 2009
Analisi statistica comparata dell’esposizione al campo elettromagnetico
generato da stazioni radio base di seconda e terza generazione
Federico Longobardi(1), Maria Rosaria Leo(2), Fabio Cresci(1), Daniele Trinchero(1),
(1) iXem Labs, Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Torino, [email protected]
(2) Ufficio Ambiente, Comune di Verbania, [email protected]
RIASSUNTO
L’evoluzione delle piattaforme tecnologiche utilizzate per la telefonia cellulare mobile, con il passaggio delle reti
radiomobili dalla seconda alla terza generazione, comporta alcune novità, sia dal lato utente che da quello gestore, che
influenzano sensibilmente l’esposizione della popolazione al campo elettromagnetico irradiato da tali sistemi. Nella
migrazione dai sistemi di seconda generazione a quelli di terza, un algoritmo di controllo di potenza più efficace, insieme
ad una sostanziale variazione delle potenze utilizzate per realizzare la copertura cellulare, determinano una diminuzione
dell’esposizione. Questo lavoro illustra un’analisi comparata dell’esposizione, ottenuta simulando al calcolatore due
scenari radioelettrici reali appartenenti alla città di Verbania (Piemonte) e utilizzati come riferimento statistico
rappresentativo dell’esposizione in ambiente cittadino.
INTRODUZIONE
La transizione della telefonia cellulare dai sistemi di seconda generazione (GSM-GPRS) verso quelli di
terza generazione (UMTS), implica una modifica sostanziale nella tecnologia delle stazioni-radio-base
(SRB), che può comportare una variazione significativa dell’esposizione della popolazione al campo
elettromagnetico. La migrazione dalle piattaforme 2G verso quelle 3G determina in primo luogo una
variazione dei livelli di potenza utilizzati in trasmissione, del tipo di modulazione, ma anche degli stessi criteri
di localizzazione delle SRB [1], [2]. Oggetto di questo studio è una valutazione statistica dell’esposizione
della popolazione al campo elettromagnetico generato da impianti trasmittenti di seconda generazione,
comparata con quella derivante da impianti di terza generazione. Lo studio è applicato al territorio del
comune di Verbania (Piemonte) e analizza la situazione radioelettrica a transizione ultimata, ossia con una
copertura cellulare realizzata esclusivamente da sistemi 3G, confrontata con la situazione attuale (ibrida) e
quella passata (esclusivamente 2G), valutando se tale transizione sia migliorativa o peggiorativa dal punto di
vista dell’esposizione.
METODO DI ANALISI
Lo studio è stato realizzato mediante un’analisi di esposizione ottenuta esclusivamente con simulazioni al
calcolatore. L’area geografica, la disposizione e le specifiche tecniche delle SRB oggetto di simulazione
sono relative ad un caso di studio reale e rappresentativo della transizione verso i sistemi 3G che è
attualmente in corso sul territorio italiano. La situazione radioelettrica considerata è quella presente sul
territorio della città di Verbania, ed aggiornata a Novembre 2008. Le simulazioni di esposizione sono state
realizzate attraverso un software dedicato, sviluppato presso gli iXem-Labs del Politecnico di Torino, che
utilizza un modello di propagazione del campo basato su tecniche di Ray-Tracing con multipath semplificato
che trascura le riflessioni multiple di ordine superiore al terzo. Il modello di propagazione è applicato
mediante cartografie numeriche vettoriali 3D del territorio che comprendono anche gli edifici, modellizzati
come volumi solidi a facce piane parallele parzialmente riflettenti alle radiofrequenze. Il campo elettrico è
stato simulato puntualmente, con opportuno passo di discretizzazione spaziale sufficientemente fitto, in tutti
gli spazi aperti, compresi i volumi degli edifici e le superfici piane orizzontali e verticali che identificano gli
edifici stessi. Sul piano del calpestio e su quello che individua il colmo tetto per ogni fabbricato, il campo è
stato stimato ad un’altezza di 150cm. Per effettuare l’analisi statistica comparata dei diversi scenari
radioelettrici si è scelto di confrontare il valore medio di campo calcolato su aree omogenee piuttosto che il
suo valore puntuale. Questo perché la variazione del valor medio del campo elettrico, calcolata su una
superficie opportunamente dimensionata, fornisce informazioni più interessanti, al fine della valutazione
dell’esposizione della popolazione, rispetto alla sua variazione puntuale. Quindi, per realizzare l’analisi
statistica lo spazio è stato discretizzato in microsuperfici piane opportunamente dimensionate in modo che la
variabilità del volor medio del campo, calcolato sulle microsuperfici dell’area di studio, fosse rappresentativa
di tutti i valori di campo simulati puntualmente. Rispettando questo criterio è stato possibile scegliere
un’estensione della microsuperfice paragonabile a quella della sezione frontale-longitudinale del corpo
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umano di un individuo di media statura. Per ciascuna microsuperficie è stato calcolato il valore medio e
quello massimo del campo elettrico nelle diverse condizioni oggetto di confronto: scenario esclusivamente
2G, scenario ibrido, scenario esclusivamente 3G.
Avendo a disposizione i valori di campo medio simulati su microsuperfici omogenee nelle tre condizioni di
irradiazione, è stato possibile apprezzare come al variare della composizione della microsuperficie di
simulazione (densità e geometria degli edifici) e della sua posizione in funzione delle SRB, si misurano
risultati e variazioni diverse per intensità nel passaggio da uno scenario all’altro. Il confronto tra l’esposizione
generata nei diversi scenari radioelettrici è stato articolato su due strumenti: un confronto visivo di lettura
immediata sui valori di campo stimati puntualmente e rappresentati tramite una scala di colore; un confronto
statistico osservando media e varianza della distribuzione percentuale dei valor medi di campo calcolati sulle
singole microsuperfici.
RISUTATI OTTENUTI
I risultati dello studio comparativo sono presentati attraverso due strumenti di rapida consultazione: una
rappresentazione in scala cromatica del campo simulato nelle due condizioni (solo GSM oppure solo UMTS);
una distribuzione statistica dei valori di campo simulati nelle due condizioni (solo GSM oppure solo UMTS).
Le illustrazioni cromatiche (Figure 1-2) rappresentano il campo elettrico simulato attraverso una scala di
colore sovrapposta ad una cartografia 3D di una delle aree in esame più significative. I grafici di distribuzione
statistica (Figura 3) indicano la percentuale di microsuperfici, rispetto alla totalità che costituisce l’intera area
di studio, esposte ad un determinato valore di campo elettrico.
La rappresentazione su scala cromatica e lo studio statistico mostrano entrambi una diminuzione dei
livelli di esposizione nello scenario 3G rispetto a quello 2G. Valutando i risultati ottenuti per macro aree tra
loro differenti per orografia, densità di fabbricati e dislocazione degli impianti, il trend migliorativo ai fini
dell’esposizione, migrando dal GSM all’UMTS, è mantenuto in tutti i casi esaminati. Si notano, tuttavia,
variazioni sempre più importanti quanto più le aree considerate sono urbanizzate; le diminuzioni più
significative dell’esposizione si hanno con gli impianti trasmittenti siti in aree densamente urbanizzate con
edifici di grandi dimensioni.
CONCLUSIONI
Sia la distribuzione statistica che la rappresentazione cromatica del campo elettrico mostrano
chiaramente una diminuzione dei livelli di esposizione imputabili alla copertura UMTS rispetto a quelli
derivanti dalla copertura GSM. Per l’area di indagine utilizzata nello studio statistico, il valore medio e la
varianza della distribuzione statistica del campo elettrico simulato sulle singole microsuperfici, sono riportati
in Tabella 1 per i diversi scenari a confronto. In particolare il valor medio scende da 0.71 V/m (esposizione
da rete GSM) a 0.59 V/m (esposizione da rete UMTS). Approssimando la distribuzione statistica delle
microaree (Figura 3) ad una distribuzione Gaussiana centrata sul valor medio, la varianza indica la
dislocazione delle altre microaree rispetto a quelle con valori di campo pari alla media; in tal senso media e
varianza caratterizzano in maniera univoca la distribuzione statistica di esposizione.
Tabella 1: Campo elettrico medio nelle tre situazioni radioelettriche paragonate
Sistema
GSM
IBRIDO
UMTS
Campo elettrico medio
0.71 V/m
0.66 V/m
0.59 V/m
Varianza
0.22
0.19
0.15
Un aggiornamento della rete di telefonia mobile attuale, che prevede la sostituzione dei sistemi di
seconda generazione (GSM) con quelli di terza generazione (UMTS), implica una riduzione dell’esposizione
della popolazione; questa variazione migliorativa è tanto più importante, dal punto di vista quantitativo,
quanto più l’area immediatamente circostante gli impianti oggetto di aggiornamento è densamente edificata.
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Controllo ambientale degli agenti fisici: nuove prospettive e problematiche emergenti - Vercelli, 24-27 marzo 2009
Figura 1: simulazione di esposizione – scenario esclusivamente GSM
Rappresentazione in scala cromatica del campo elettrico simulato nello scenario
esclusivamente 2G; la figura è relativa ad una delle aree di studio, estrapolate dalla città
di Verbania, utilizzate per l’elaborazione statistica complessiva.
Figura 2: simulazione di esposizione – scenario esclusivamente UMTS
Rappresentazione in scala cromatica del campo elettrico simulato nello scenario
esclusivamente 3G; la figura è relativa ad una delle aree di studio, estrapolate dalla città
di Verbania, utilizzate per l’elaborazione statistica complessiva.
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Figura 3: distribuzione statistica percentuale delle microsuperfici negli scenari 2G e 3G
Distribuzione statistica dei valori di campo medio simulati sulle singole microsuperfici nei
due scenari radioelettrici comparati (GSM e UMTS); la statistica è stata elaborata sui
risultati di simulazione di tutte le aree oggetto di studio; la figura riporta, con una barra
verticale, il valor medio di ciascuna distribuzione.
Bibliografia
[1] ETSI TS 145 005 v8.3.0 (3GPP TS 45.005 version 8.3.0 Release 8), “Digital cellular telecommunications system
(Phase2+); Radio transmission and reception”, 02-2009.
[2] ETSI TS 125 104 v8.5.0 (3GPP TS 25.104 version 8.5.0 Release 8), “Universal Mobile Telecommunication system
(UMTS); Base Station (BS) radio transmission and reception (FDD)”, 01-2009.
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