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Antenne adattive

Campi elettromagnetici in base al fabbisogno

Con la quinta generazione della telefonia mobile (5G) le antenne adattive vengono utilizzate per la prima volta su ampia scala. Tali antenne non emettono più segnali che coprono un intero settore, ma si concentrano sugli utenti e li seguono quando si spostano. Ne consegue che le antenne adattive consumano meno e tendenzialmente permettono di ridurre le immissioni. Si può quindi davvero parlare di una tecnologia green?
Res Witschi
Res Witschi, delegato digitalizzazione sostenibile
20 luglio 2020

Per le tecnologie radio vale la regola: più elevata è la frequenza, tanto peggiori saranno le condizioni di diffusione e tanto più elevate saranno le perdite di trasmissione. Per compensare questa legge della fisica, per le frequenze del 5G, che sono leggermente più alte delle frequenze normali (al massimo 3.8 Ghz), oltre che per rispondere agli elevatissimi requisiti di questo nuovo standard di telefonia mobile, saranno impiegate le antenne adattive.

L’annaffiatoio anziché l’irrigatore a pioggia

Con queste antenne è possibile concentrare il segnale nella direzione dell’utente. Questa tecnologia è chiamata anche beamforming o MIMO estesa. La concentrazione del segnale radio su uno spazio limitato permette anche di contenere i guasti alla rete mobile riducendo il rumore e migliorando il segnale radio. Una maggiore concentrazione, inoltre, consente di trasmettere i segnali in modo mirato impiegando meno energia elettrica. In parole povere: un’antenna di telefonia mobile tradizionale si comporta come un irrigatore a pioggia, ossia copre un intero settore. Un’antenna adattiva invece è come un annaffiatoio con il quale si annaffia un fiore in modo mirato e misurato.

Con la nuova tecnologia di trasmissione detta beamforming, le antenne generano tanti campi elettrici piccoli e mirati la cui intensità si adegua esattamente alle esigenze di ogni utente.

Come funzionano le antenne adattive?

Le antenne adattive sono costituite da una serie di elementi radianti gestiti in maniera indipendente. Di norma, si tratta 64 o 32 elementi radianti disposti in modo da creare una rete ordinata di linee e colonne e dotati ciascuno di un amplificatore. Regolando in modo mirato la corrente elettrica (sfasamento) è possibile modificare la direzione di trasmissione senza dover spostare fisicamente gli elementi radianti. Più elementi radianti si riesce a coordinare contemporaneamente, più il segnale trasmittente è compatto e più contenuto sarà il volume interessato dalla radiazione.

«Le antenne adattive e il 5G non solo sono più efficienti, ma riescono anche a trasmettere dati con meno immissioni.»

Dr. Hugo Lehmann, direttore del Centro di competenze sui campi elettromagnetici

Efficienza energetica molto più elevata

«Le antenne adattive e il 5G non sono solo più efficienti, ma riescono anche a trasmettere dati con meno immissioni», spiega Hugo Lehmann, direttore del Centro di competenze sui campi elettromagnetici. Secondo l’esperto, se riusciremo a sfruttare appieno il potenziale delle antenne adattive, in Svizzera si dovranno costruire un minor numero di nuovi impianti. Dato che ognuno di essi necessita di una certa quantità di energia di base, costruirne molti meno vuol dire anche ridurre il consumo di corrente. Essendo la struttura del segnale del 5G più compatta, inoltre, il margine di risparmio di energia è maggiore rispetto al 4G. Se per ampliare le reti mobili al posto della tecnologia LTE si impiega il 5G, si arriva a risparmiare tra il 50 e il 70% di energia.

L’utilizzo delle antenne adattive è quindi un elemento cruciale per il funzionamento efficiente della rete mobile 5G. I vantaggi in termini di flessibilità, migliori capacità, inferiore esposizione dell’utente e al contempo maggiore precisione nonché minore consumo energetico sono evidenti.

Grande potenziale di riduzione dell’esposizione

Attraverso l’invio mirato di informazioni alla cella radio del singolo utente, i segnali raggiungono solo il punto in cui sono effettivamente necessari. Nella media temporale, questa differenza spaziale comporta anche un’esposizione inferiore rispetto alle tecnologie precedenti.

 

Una simulazione svolta a Gent (Belgio) dimostra che, a parità di ipotesi di utilizzo, una rete dotata di tecnologia MIMO estesa genera un’esposizione di cinque volte inferiore rispetto a una rete 4G senza antenne adattive. L’analisi dimostra inoltre che più alto è il numero di elementi radiati, più bassa è l’esposizione. Ciò non è stato ancora verificato con misurazioni tecniche sulle reti 5G attualmente in costruzione, ma conferma che questa tecnologia ha un grande potenziale anche nell’ambito della riduzione dell’esposizione.

In condizioni d’esercizio reali consumi minimi della potenza teorica

Da proiezioni e misurazioni su singole antenne adattive è emerso che quando si impiega la tecnologia beamforming di norma viene sfruttata solo una minima parte del valore teorico massimo della potenza irradiata. Anche in caso di traffico dati elevato e in diversi scenari possibili, in un intervallo di sei minuti durante il quale si calcola la media delle immissioni non viene mai trasmesso più di un quarto della potenza teorica massima. L’intervallo di sei minuti, detto anche durata di apprezzamento, è rilevante per il rispetto dei valori limite di immissione. Queste simulazioni sono state confermate da misurazioni della potenza media irradiata per sei minuti per le stazioni radio di base dotate di antenne adattive. In parole semplici, ciò significa che per ogni unità d’informazione trasmessa con la tecnologia beamforming l’esposizione è minore rispetto a quella provocata dalle attuali reti mobili.

I valori limite continuano a essere rispettati

Nel disciplinamento attualmente vigente in Svizzera, le antenne adattive sono considerate alla stregua delle antenne passive. Il presupposto di partenza è infatti che in ogni momento la potenza complessiva si estenda in tutte le direzioni. Ciò tuttavia non corrisponde alla realtà, in quanto la potenza complessiva dell’antenna si distribuisce solo sugli utenti attivi: Se due utenti sono attivi contemporaneamente, la potenza irradiata per ogni beam ammonta alla metà della potenza massima. Se gli utenti attivi sono quattro, anche la potenza massima è suddivisa in quarti e ciascuno di essi va in una direzione diversa. Di conseguenza, se gli utenti sono molti e ben distribuiti, l’esposizione sarà più bassa. Se invece uno o più utenti sono attivi nella stessa direzione, l’intera potenza sarà concentrata solo in quel punto. Grazie all’aggregazione delle antenne, tuttavia, le immissioni non verranno disperse nell’intera zona di copertura dell’antenna. Questo vuol dire che in tal caso l’esposizione sarà concentrata nella direzione dell’utente, ma molto contenuta nel resto del settore interessato. Tra la popolazione è spesso palpabile un certo timore che l’esposizione derivante dalla tecnologia beamforming delle antenne adattive sia troppo elevata. Così dicendo però si dimentica che anche i nuovi beam devono sempre rispettare i valori limite vigenti.

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Contributo alla sostenibilità

Le antenne adattive forniscono un contributo concreto al raggiungimento dei seguenti obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite:

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Una rete mobile dotata di antenne adattive genera un quinto delle immissioni delle antenne passive, contribuendo attivamente alla salute e al benessere della popolazione.

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L’ampliamento dell’infrastruttura di rete mobile con la più moderna tecnologia promuove un’industrializzazione sostenibile e ad ampio raggio e al contempo incentiva le innovazioni.

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Il 5G consuma il 40–70% di energia in meno del 4G, supportando così la lotta al cambiamento climatico.