nel numero 1 del 2010

La localizzazione delle utenze radiomobili attraverso la rete cellulare NUE (Numero Unico Europeo per le Emergenze)

Fabrizio Pini

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La propagazione delle onde elettromagnetiche rappresenta un fenomeno molto complesso sia da comprendere che da modellizzare e quindi da prevedere, perché è estremamente legato alla lunghezza d’onda, al mezzo nel quale le onde e.m. (elettromagnetiche) si propagano e agli ostacoli che incontrano. Con il termine modellizzazione si intende la definizione di un’insieme di equazioni matematiche atte a descrivere un fenomeno fisico. In questo caso si intende individuare un’insieme di equazioni matematiche atte a prevedere la presenza del campo e.m. della rete cellulare. La presenza dipende anche dalla potenza di trasmissione e dalla sensibilità del ricevitore, nonché dall’orografia naturale e/o urbanizzata (orografia creata dall’uomo). Il fenomeno più semplice si ha quando la lunghezza d’onda è di molto inferiore alle dimensioni degli ostacoli incontrati e la propagazione avviene nel vuoto. È il caso delle comunicazioni intersatellitari o nella tratta radio prossima al satellite nel caso delle comunicazioni terrestri via satellite. In questo caso si può applicare la modellizazzione delle onde e.m. attraverso l’ottica geometrica (ottica  classica). Nel caso delle frequenze utilizzate dalle reti cellulari GSM (900/1800 MHz) e UMTS (2100 MHz) i fenomeni sono molto diversi. La propagazione è modellizzabile solo in prima approssimazione attraverso l’ottica geometrica. La rete GSM offre il servizio di telefonia mobile attraverso una serie di ricetrasmettitori (detti BTS – Base Transiver Station o celle) posti nel territorio oggetto di copertura. Ogni cella è identificata da un numero univoco CGI (Cell Global Identity). Il CGI è composto da:

– MCC (Mobile Country Code), numero identificativo della nazione (222 per l’Italia);

– MNC (Mobile Network Code) 01 per TIM, 10 per Vodafone, 88 per Wind, 99 per H3G; LAC (Local Area Code);

– CI (Cell Identity) la cella, l’area elementare della copertura.

Le aree delle celle possono essere coperte attraverso antenne omnidirezionali (irradianti in tutte le direzioni con la medesima intensità) o attraverso antenne direzionali (irradianti in una direzione preferenziale). In quest’ultimo caso è presente il parametro Irr (Irradiazione) che mostra l’angolo d’irradiazione massima dell’antenna rispetto al Nord. La caratteristica propagativa dall’antenna è espressa dai diagrammi di radiazione uno sul piano orizzontale e l’altro sul piano verticale. L’antenna è un elemento reciproco ovvero mantiene le medesime caratteristiche propagative sia in trasmissione che in ricezione. Nell’esempio mostrato nell’immagine, l’antenna presenta un ampio settore circolare di funzionamento (in trasmissione e in ricezione), ma l’angolo di maggiore radiazione è di 30 (gradi). A 30 la potenza irradiata e ricevuta è la metà di quella massima (a 0, guardando di fronte l’antenna). Dopo i 30 la potenza decresce rapidamente. L’antenna presentata non è l’unica possibile ma è quella più frequente per le coperture urbane. Soluzioni diverse implicano diagrammi di radiazione anche molto diversi. Il volume di copertura di una cella è variabile in base alla progettazione e alle condizioni d’uso. Malfunzionamenti, traffico telefonico richiesto, condizioni meteo, sensibilità del ricevitore impiegato per accedere alla rete radiomobile, aleatorietà delle condizioni propagative sono solo le principali fonti di impredicibilità del comportamento radio elettrico. Tutte queste sorgenti di aleatorietà non consentono agli operatori di telefonia mobile di sviluppare servizi precisi basati esclusivamente sulla localizzazione attraverso la cella a meno che non si integri nel telefonino un ricevitore GPS (Global Positioning System) o comunque non si investa sulla rete con tecnologie adiuvanti. E’ da notare che anche se si utilizzasse un telefonino dotato di ricevitore GPS non si potrebbero realizzare servizi di localizzazione precisi all’interno di edifici o in ambiente urbano sviluppato in strade strette come quelle dei centri storici. Questo perché per effettuare una misura di posizione attraverso il GPS è necessario ricevere i segnali da almeno 4 satelliti e all’interno dei centri storici, caratterizzati spesso da strade strette questo è frequentemente impossibile. In letteratura gli ambienti caratterizzati da strade strette rispetto all’altezza dei palazzi sono detti urban canyon o canyon urbani. Per quanto riguarda la copertura all’interno degli edifici (indoor coverage) con il GPS non è realizzabile perché i segnali provenienti dai satelliti penetrano molto raramente le coperture degli stabili (dipende dal tipo di copertura) e mai i solai tra un piano e l’altro. Con la prossima generazione di satelliti per GPS la disponibilità potrà aumentare grazie all’incremento della potenza di trasmissione, all’uso di tecniche di invio dei segnali più raffinate e anche grazie all’incremento  della sensibilità dei ricevitori. I presenti diagrammi di radiazione, come anticipato,sono relativi alla frequenza della rete GSM 1800 (funzionante intorno ai 1800 MHz). Con queste antenne si ha che a 30° (gradi) la potenza si dimezza rispetto alla radiazione diretta e a 60 diventa 1/10 (un decimo) sempre rispetto alla radiazione diretta. Oltre ai 60 la potenza diventa risibile, pertanto solo in rare condizioni è possibile la comunicazione telefonica a meno che non siano presenti fenomeni di riflessione o rifrazione. Comunque in linea di massima a parità d’ingombro delle antenne, all’aumentare della frequenza aumenta la direttività e il guadagno. Per avere quindi le stesse caratteristiche al diminuire della frequenza aumenta l’ingombro. Le antenne a 1800 MHz sono più piccole rispetto a quelle a 900 MHz a parità di caratteristiche.

L'autore

Fabrizio Pini