Il sistema GSM e le interazioni delle radiazioni sul corpo umano

Il sistema GSM e le interazioni delle radiazioni sul corpo umano

Il “Global System for Mobile communication” (GSM, la cui sigla significava inizialmente ” Groupe spécial mobile”) è attualmente lo standard di telefonia mobile più diffuso al mondo. Più di 4 miliardi di persone in 200 paesi diversi utilizzano telefoni cellulari basati su questa tecnologia. Il sistema GSM è terrestre, e raggiunge ormai più dell’80% della popolazione mondiale.

La versatilità e l’efficienza di questo sistema hanno fatto sì che ne fosse possibile l’adozione, da parte di un gran numero di operatori nazionali, mediante una tecnica detta di “roaming” (dall’inglese to roam = vagare, andare in giro) la quale è atta ad identificare, nelle reti telematiche e di telecomunicazioni, un insieme di normative e di apparecchiature che permettono di mettere in comunicazione due o più reti distinte. Il roaming viene utilizzato per permettere agli utenti di collegarsi utilizzando una rete che non è di loro proprietà.

Ciò può accadere, per esempio, quando l’utente si trova all’estero e l’operatore telefonico non ha una rete propria. Attraverso il roaming, quindi, l’operatore consente all’utente l’utilizzo del servizio in tutta la nazione. Una metodologia simile viene adottata da alcune schede Wi-Fi per passare da un ”access point” ad un altro in modo del tutto “trasparente”, ovvero senza che l’operazione causi un disservizio come , ad esempio, la perdita di connessione durante gli spostamenti. Questo tipo di roaming è definito come involontario e funziona come se si chiamasse da quella nazione.

Rispetto al predecessore, questo sistema prevede che sia il canale di identificazione sia quello di conversazione siano digitali; questa caratteristica, che ha permesso che il GSM fosse lanciato sul mercato come sistema di telefonia di seconda generazione (2G), lo ha reso da subito competitivo e conveniente perché tutta una serie di nuovi servizi è stata immediatamente disponibile ad un costo contenuto per gli utenti ed irrisorio per chi ne detiene la potestà.

Un esempio, sopra tutti gli altri, di questo tipo di servizi è la possibilità di scambio di messaggi testuali (SMS ovvero “Short Message Service”); dal punto di vista degli operatori, inoltre, un notevole vantaggio è stata la possibilità di acquistare infrastrutture di attrezzature a costi resi bassi dalla concorrenza fra i produttori, in un settore ormai già maturo.

Di contro, il GSM prevede alcune limitazioni dovute principalmente alla tecnologia TDMA (ovvero Time Division Multiple Access), cioè una politica di utilizzazione del canale di comunicazione che, grazie ad una multiplazione numerica, viene assegnato per intero agli utenti in funzione del tempo di accesso. L’assegnazione, quindi, dell’intero canale per “slot” (intervalli) temporali rappresenta la filosofia di questa tecnica che si dimostra, all’evidenza, meno efficiente della sua diretta concorrente, ovvero la tecnica CDMA (Code Division Mutiple Access). In questo caso, infatti, più sorgenti di informazione hanno accesso contemporaneo allo stesso canale di trasmissione sul quale vengono fatti transitare dati, identificati in maniera univoca, a cui si può avere accesso in maniera selettiva. Tale discrasia nominale non trova, tuttavia, effettive conferme nella pratica.

Al fine di rendere il sistema GSM robusto anche nell’ambito della sua evoluzione, esso è sempre stato retro-compatibile. In questo modo è stato possibile utilizzare le stesse infrastrutture anche quando è avvenuta la conquista della commutazione di pacchetto (con il sistema GPRS o 2.5G), di accesso ad Internet e l’aumento di velocità grazie all’introduzione della codifica 8-PSK nella versione EDGE.

Oltre, quindi, al semplice traffico voce, questo sistema permette la trasmissione di pacchetti di dati (che, grazie al protocollo “Dual Transfer Mode” può avvenire anche simultaneamente, rendendo possibile, ad esempio, la video-chiamata), l’accesso ad Internet e prevede anche il supporto per il protocollo di comunicazione ASCII (American Standard Code for Information Interchange), il che lo rende sempre più simile alla tecnologia UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Le reti GSM sono composte da un insieme di “celle” radio di varie dimensioni. Essenzialmente ne esistono di quattro tipi: macro, micro, pico e celle a ombrello. La copertura radio ottenibile con ciascun tipo di cella varia in funzione della “situazione” ambientale circostante. Nelle macro-celle l’antenna della “Stazione Radio Base” (o “Base Transcevier Station”, BTS) è installata su un palo, o su di una struttura, posti sul tetto di un edificio; nelle micro-celle, invece, l’antenna viene installata ad un livello più basso, come tipicamente accade nelle aree urbane ad alta densità abitativa. Le pico-celle hanno dimensioni limitate (poche dozzine di metri) e sono, di solito, usate in ambienti chiusi. Infine le celle “a ombrello” vengono utilizzate per fare in modo che la copertura sia omogenea o nei gap (intervalli) fra una cella e l’altra. Le antenne di questo tipo sono, solitamente, installate su edifici o strutture molto elevate.

L’antenna mostrata ha una struttura, cosiddetta, “a pannello” ed è, generalmente, realizzata per mezzo di allineamenti verticali di dipoli con un riflettore metallico alle spalle. I dipoli devono essere verticali, qualora si desideri avere una polarizzazione verticale, oppure disposti ad “x”, nel caso in cui si voglia ottenere una polarizzazione duale ±45° e sfruttare la diversità di polarizzazione in ricezione. Il riflettore metallico ha lo scopo di “sopprimere” la radiazione alle spalle dell’antenna; questo dipende dal fatto che questi dispositivi devono “coprire” un settore di 120° posto di fronte ad esse. Sono presenti anche delle flange metalliche ai due lati e tra i dipoli: quelle laterali, che limitano l’apertura del lobo sul piano orizzontale, e quelle che si trovano tra i dipoli, la cui funzione è quella di disaccoppiarli. Le aperture a -3 dB sul piano orizzontale sono 90° (ottimale per aree aperte) e 65° (ottimale per ambiente urbano). I guadagni tipici oscillano tra i 14 e i 20 dBi.

La BTS è, inoltre, una struttura che viene utilizzata per rendere possibile la fruizione di diversi servizi; oltre al GSM, infatti, essa viene utilizzata per trasmissioni wireless che avvengano tra il dispositivo in possesso dell’utente e la rete opportuna. Oltre, cioè, ai cosiddetti handset (cellulari), serve per le comunicazioni WLL (Wireless Local Loop, per il traffico internet a banda larga), WiFi e WiMAX. Rappresenta, inoltre, il “nodo B” nelle reti di terza generazione (3G).
Nel caso particolare della rete GSM, la BTS è composta da:

    – un NSS (Network and Switching Subsystem), per la gestione della rete;
    – un BSS (Base Station Subsystem), che comprende una BCF ed alcune BTS;
    – un OSS (Operation Support System), per la manutenzione dell’intero sistema.

Una BTS è posta a controllo di una Base station Control Function, implementata come unità discreta (cioè di piccole dimensioni), la quale è connessa, alla scopo di controllo continuo, con un sistema chiamato Network Management System (NMS). Anche nel caso delle comunicazioni Wireless, la struttura resta invariata.
In conclusione, una Stazione Radio Base è generalmente composta da:

    – un TRX (“transceiver” ovvero un transmitter&receiver), con la funzione di trasmettere e ricevere i segnali;
    – un amplificatore di potenza, necessario per poter adattare il segnale alle caratteristiche del mezzo trasmissivo in trasmissione e far svettare il segnale sul rumore (in ricezione);
    – un combiner, grazie al quale si può effettuare una riduzione del numero di antenne nella rete;
    – un duplexer, grazie al quale con la stessa antenna è possibile effettuare più operazioni contemporaneamente;
    l’antenna vera e propria;
    – un “Alarm Extension System” e relative funzioni di controllo, grazie a cui è possibile monitorare, verificare e migliorare il funzionamento della rete perchè riceve segnali di errore da più unità;
    – una Baseband receiver unit (BBxx), che effettua operazioni di modulazione del segnale.

Le dimensioni delle celle variano in funzione dell’altezza dell’antenna, del guadagno della stessa e delle condizioni di propagazione delle onde radio. Si va da un minimo di 200 metri circa ad un massimo di parecchie decine di chilometri. La massima distanza fra una stazione radio-base ed un terminale è di 35 km circa, sebbene le specifiche del sistema GSM prevedano distanze anche più che doppie. Il limite all’aumento della distanza non è dettato dalla potenza di trasmissione, come accadeva nei sistemi TACS (Total Access Communications System) ormai obsoleti (si tratta di sistemi di prima generazione); la difficoltà è quella di centrare il cosiddetto timeslot overlap (dove il timeslot è il tempo allocato per ciascuna chiamata) quando il terminale si trova a grande distanza dalla BTS. Infatti, i canali TDMA consentono una tolleranza di temporizzazione di poco più di 100 microsecondi; ciò significa che il segnale tra BTS e terminale mobile non può impiegare un tempo superiore a propagarsi, pena l’overlap tra canali. Poiché le onde elettromagnetiche percorrono un chilometro in 3,2 microsecondi circa, la massima distanza risulta essere, appunto, di 1003,2≅31 Km.

Il GSM supporta anche le chiamate in ambienti chiusi. La copertura in ambienti interni può essere realizzata mediante piccoli ripetitori che inviano il segnale dall’antenna esterna ad un’antenna interna separata. Quando tutta la capacità, in termini di connessioni, deve essere concentrata in un unico ambiente al coperto, come ad esempio in centri commerciali, aeroporti e simili, tipicamente si adotta la soluzione di un’antenna ricevente installata direttamente all’interno dell’edificio. In aree urbane densamente popolate la copertura radio all’interno degli edifici è assicurata dalla penetrazione del segnale radio, senza la necessità di installare ricevitori interni.
All’interno di questa struttura non solo sono implementati dispositivi di “criptaggio” dei dati (che rendono le trasmissioni protette) ma anche una serie di filtri in frequenza, di tipo passa-banda, che rendono possibile che la rete lavori su più frequenze portanti contemporaneamente.

Quest’ultima caratteristica ha reso possibile che le celle lavorino in configurazione dual-band. Le frequenze utilizzate dalla rete GSM (il cui intero spettro è riportato in Tabella 2.1) sono 850, 900, 1800, 1900MHz e variano a seconda degli stati in cui la rete viene installata. Nello specifico, nelle nazioni europee si utilizzano le frequenze 900/1800 MHz mentre negli Stati Uniti d’America sono d’uso 850/1900 MHz.

L’indice completo degli articoli relativi alla tesi di laurea sulla interazioni e sugli effetti delle radiazioni sul corpo umano, è disponibile qui

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