Ecco perché il 5G mobile obbliga a rivedere i limiti di emissione elettromagnetica in Italia

L’asta 5G appena conclusa in Italia, con il suo incasso record da 6,550 miliardi di euro, impone di riprendere in mano le modalità di misura dei limiti sulle emissioni elettromagnetiche. Quelle attualmente vigenti in Italia rischiano infatti di rallentare lo sviluppo delle nuove reti: e non tanto perché i limiti sono molto ridotti, ma soprattutto per via della metodologia di calcolo utilizzata, non adeguata alle caratteristiche tecnologie delle reti 5G.

L’attuale approccio deterministico per la valutazione dell’emissione e autorizzazione di impianti non risulta essere più realistico, infatti, ed è possibile giungere a questa conclusione dall’analisi del dibattito scientifico e delle raccomandazioni internazionali a riguardo.

Le linee guida

Da molti decenni la comunità scientifica internazionale sta dedicando un’attenzione crescente all’analisi dell’impatto ambientale e sanitario dei campi elettromagnetici, in relazione a possibili effetti sull’organismo umano senza riscontrare fino ad oggi evidenza di correlazione tra incidenza di patologie ed emissioni. Dagli anni ’70 ad oggi si contano oltre 30.000 articoli scientifici che crescono di circa 5 nuove pubblicazioni al giorno.

Le conoscenze acquisite dalla comunità scientifica hanno consentito a organismi tecnici nazionali ed internazionali, di emanare standard di sicurezza riportanti i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici. In particolare, l’ICNIRP (International Commission on Non Ionizing Radiation Protection) – l’organismo ufficiale che collabora con l’organizzazione mondiale della Sanità, World Health Organization (WHO), e del Lavoro, International Labour Organization (ILO), sulle tematiche relative alla protezione di cittadini e lavoratori dagli effetti della esposizione a radiazioni non ionizzanti – ha emanato negli anni una serie di Linee Guida riguardanti numerose tipologie di esposizione ai campi elettromagnetici [1].

Queste Linee Guida rappresentano il massimo riferimento scientifico a livello mondiale del settore e sono raccomandate dall’Unione europea (raccomandazione 1999/512/CE e direttiva 2013/35/UE) per l’adozione nei quadri normativi dei Paesi membri. Va ricordato che, le indicazioni dell’ICNIRP sono continuamente oggetto di aggiornamento, sulla base delle nuove conoscenze, ed i valori di soglia indicati nella prima formulazione delle Linee Guida, risalente al 1998, sono stati confermati sino ad oggi.

Radioprotezione: in Italia i limiti più restrittivi

Tuttavia, alcuni Stati membri, tra cui l’Italia, hanno adottato limiti più restrittivi (Tabella 1). La normativa italiana in materia di radioprotezione ha privilegiato, infatti, sin dalle proprie origini nel 1998, politiche cautelative, definendo tre livelli di protezione:

• limite di esposizione: per proteggere dagli effetti acuti pari a 20 V/m;
• valori di attenzione applicati in corrispondenza di edifici adibiti a permanenze non inferiori a quattro ore come protezione da eventuali effetti a lungo termine (finora non emersi) pari a 6 V/m;
• obiettivi di qualità da tenere in considerazione all’atto di progettazione ed installazione pari a 6 V/m.

Fonte: Assotelecomunicazioni

Tabella : limiti Stati Membri espressi in V/m; (*) valori per distanze<300 m da scuole ospedali; (**) posti con esposizione >4 ore.

Il cambio di paradigma della rete 5G

Tale approccio ha fino ad oggi reso difficile l’introduzione di nuove tecnologie (es. 4G) nelle istallazioni di impianti esistenti (2G/3G), portando come soluzione percorribile quella di ricorrere allo spegnimento delle tecnologie più obsolete (es 2G) per allocare tecnologie nuove. Tale contesto, per l’evoluzione delle reti 5G, farebbe pensare ad una difficoltà non superabile per la corretta introduzione della nuova tecnologia e il rispetto dei limiti cautelativi.

La rete 5G infatti si prospetta come una rete non più intesa come un’infrastruttura che i vari operatori di telecomunicazioni replicheranno per servire i propri utenti. Il 5G in effetti capovolge il concetto di rete, non più intesa come struttura statica con requisiti indistinti ad ogni applicazione, ma definisce il concetto di rete “user-centric” dove il termine stesso user acquisirà una veste nuova.

Per capire a fondo questo cambio di paradigma, basti pensare che solo uno dei tre pillar caratteristici del 5G, enanched Mobile Boradband, sarà dedicato all’utente “tradizionale”, mentre gli altri due pillar, massive Machine Type Communication e ultra-Low Latency and Reliable Communications, saranno dedicati ad utenze “innovative” in svariati campi di applicazione (settore energetico, trasporti, ecc. ).

Figura: Architettura rete 5G. (Fonte, Australian Mobile Telecommunications Association – AMTA)

Emissioni elettromagnetiche del 5G

L’architettura della nuova rete 5G si prospetta quindi come caratterizzata da una densificazione di impianti a diverse frequenze per rispondere alle varie esigenze di connettività e capacità dettate da singoli servizi (figura 1). Va precisato che questo scenario, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, non comporterà un aumento di emissioni elettromagnetiche, anzi al contrario, una proliferazione di impianti vorrà dire un’emissione più bassa da parte di ciascuna antenna per coprire la medesima area, portando ad una distribuzione dell’energia più uniforme e senza picchi di emissione nelle zone in prossimità delle antenne tipico delle archittetture macrocellulari tradizionali.

In aggiunta, va poi considerato che, la nuova tecnologia 5G sarà basata su antenne adattative Active Antenna System, ossia basate su concetti innovativi quali beamforming e massive MIMO. Questo nuovo approccio sarà caratterizzato non più da una emissione costante di potenza in tutte le direzioni, ma da una emissione “adattativa” in base al numero di utenze da servire, dalla loro posizione e dal tipo di servizio (figura 2). Ciò fa presagire che un approccio deterministico per i metodi di valutazione dell’emissione e autorizzazione di impianti non risulta essere più realistico.

Figura: Confronto copertura rete tradizionale e rete 5G.

Limiti di esposizione campi elettromagnetici nelle reti 5G

Le future reti 5G permetteranno quindi di raggiungere un alto livello di prestazioni, per rispondere alle crescenti esigenze di traffico dei prossimi anni, grazie ad una densa distribuzione di installazioni eterogenee in termini di celle macro/micro/femto in modo da realizzare servizi non pensabili con le reti attualmente dispiegate.

In pratica, la connettività, al fine di soddisfare i requisiti dei nuovi servizi, sarà realizzata considerando una “sovracopertura” per garantire la resilienza a livello di link radio in modo da evitare il “Single Point Failure”. Ciò sarà realizzato attraverso la possibilità di connettersi secondo tre layer differenti. Ossia ciascun dispositivo potrà connettersi:

• a più siti differenti contemporaneamente;
• tramite differenti tecnologie;
• con diverse frequenze.

Questo, da un punto di vista architetturale, almeno inizialmente (3GPP Release 15 e Release 16) si traduce nell’utilizzare sia gli impianti 4G che 5G: quando il dispositivo (d’utente, o IoT) sarà connesso alla rete 5G, vorrà dire che sarà collegato alla rete 4G per la segnalazione di controllo e alla rete 5G per la connessione dati aggiungendo così capacità alla rete 4G esistente (figura 3).

Figura : Differenti link di connessione nella futura rete. (Fonte: AMTA)

Tale sovrastruttura di connessione, non si tradurrà assolutamente in emissioni maggiori di campo elettromagnetico, anche perché la normativa vigente italiana pone i limiti restrittivi che dovranno essere comunque sempre rispettati. Inoltre, come già ricordato, l’accesso radio 5G [2], sarà caratterizzato dall’uso di tecnologie avanzate basate su fasci direzionali di emissione d’antenna in grado di “seguire” l’utente con conseguente riduzione dell’impatto ambientale in termini di esposizione rispetto ai sistemi omnidirezionali.

Pertanto, l’aspetto di interesse di questa nuova architettura, dal punto di vista dell’esposizione ai campi elettromagnetici, non è tanto l’erroneo assunto di un aumento di emissioni che non sarebbe possibile data la normativa vigente, quanto il dover riconsiderare le modalità di valutazione delle emissioni. In effetti, ciò che emerge è che una valutazione dell’esposizione considerando un approccio tradizionale deterministico, basata su la massima potenza teorica trasmessa in modalità costante e in ogni direzione possibile, non è più realistica [3].

La nuova rete 5G suggerisce quindi la necessità di adottare metodi di valutazione delle emissioni basati su modelli statistici ed in tale direzione si sta muovendo la normativa europea.

Nuove metodologie di valutazione campi Elettromagnetici per reti 5G

L’International Electrotechnical Commission (IEC), nell’ambito delle attività del tavolo TC106 “Metodi per la valutazione dei campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici associati all’esposizione umana” ha sviluppato un miglioramento delle metodologie di valutazione dell’esposizione considerando le frequenze 5G nello standard IEC 62232 [4]. Questo approccio tiene conto del comportamento a lungo termine delle capacità di multiplexing spaziale delle antenne innovative. Con questo metodo la valutazione dell’emissione si basa su un modello statistico che prevede una valutazione della potenza emessa nello spazio e nel tempo in grado di soddisfare il numero di utenti attivi nel periodo di osservazione che rappresentano variabili statistiche del modello (vedi figura 3).

Figura: Rappresentazione Modello Statistico IEC62232. Fonte: IEC 62232-Ed2

A titolo di esempio viene riportato il caso in cui il modello è applicato ad una rete mobile 5G considerando varie frequenze di utilizzo sotto i 6 GHz. Si riporta, in particolare, il caso delle frequenze utilizzate per raggiungere maggiore copertura (700MHz/800MHz), ma le stesse considerazioni si ottengono anche per le frequenze più alte [5]. Nella valutazione viene considerata l’emissione effettiva per una distanza di 20 m dall’antenna ipotizzando una distribuzione casuale di utenti davanti all’antenna stessa (figura 4). Nella figura (a) vengono riportati i valori di emissione valutati con il modello statistico IEC62232 e si osserva come questo riesce a soddisfare i limiti secondo le indicazioni ICNIRP per ogni potenza in trasmissione considerata e per guadagni tipici. Si osserva invece che per i limiti imposti dalla regolamentazione italiana non tutte le potenze di trasmissione considerate sono attuabili. Per questo, nella figura (b) si riportano ulteriori valutazioni considerando la combinazione del modello statistico per le antenne avanzate 5G e il modello per la determinazione della potenza media sulle 24 ore secondo il modello CEI211 [6]. Tale metodologia è attualmente adottata nel contesto italiano in fase di valutazione e di autorizzazione di impianti da parte delle Agenzie Regionali per la Protezione ambientale (ARPA). Il caso di valutazione è una rete LTE a 800MHz poichè si hanno valori dei coefficienti di attenuazione alfa24 disponibili per tale rete (ambienti sia urbani che rurali). In questo caso si riesce a rimanere sotto i limiti italiani per ogni potenza trasmessa e guadagno di antenna. Ciò dimostra che la metodologia cautelativa dell’alfa24 utilizzata in Italia già per gli impianti esistenti (2/3/4G), applicata al modello statistico per le nuove antenne 5G, dà un’indicazione delle emissioni ben al di sotto dei limiti restrittivi attualmente vigenti, confermando l’effettiva ridotta emissione delle nuove tipologie di antenne.

(a) (b)

Figura: Valutazioni emissioni per una distanza a 20 m con modello statistico IEC62232 (a sinistra) e modello statistico IEC62232 più modello italiano CEI211 (a destra).

Queste valutazioni sono un buon punto di partenza per avere delle indicazioni in contesti reali. La valutazione realistica ottenuta con la combinazione della distribuzione statistica spaziale fornita dal modello IEC62232 con la distribuzione temporale fornita dal modello CEI211 da indicazioni su come dovrebbero essere effettuate le valutazioni delle emissioni in ambito nazionale. Il modello proposto dall’IEC62232 è stato approvato a luglio 2018, pertanto tutti gli Sati Membri recepiranno le indicazioni nelle proprie metodologie di verifica. Per questo, la guida nazionale CEI211 verrà aggiornata con tali indicazioni, in modo da essere utilizzata come strumento di verifica dei criteri di protezione da parte degli enti preposti per una valutazione realistica delle emissioni già da inizio del 2019.

Conclusioni

Con l’obiettivo di promuovere l’introduzione del 5G, la Commissione Europea ha segnalato nel “5G Action Plan” [7] l’importanza di allineare le politiche e legislazioni all’esposizione a campi elettromagnetici di tutti i paesi europei, secondo quanto indicato dall’ICNIRP con l’adeguamento dei limiti di esposizione da parte di tutti gli Stati membri. In aggiunta, l’International Telecommunication Union (ITU) ha promosso casi di studio europei per valutare l’impatto della legislazione nazionale sull’introduzione della rete 5G [8]. Dalle valutazioni è emerso che i paesi caratterizzati da limiti più restrittivi potrebbero sperimentare difficoltà nella sua introduzione.

Va però osservato che l’introduzione di nuove tecnologie di antenna porta ad una riduzione effettiva di emissioni di campo tempo-spazio variante, per cui un approccio statistico alla valutazione delle emissioni, come proposto dalle linee guida IEC62232 appare più realistico. L’introduzione del modello statistico nelle valutazioni permetterebbe di fornire un’indicazione più veritiera sulle reali emissioni di un sito e quindi agevolare l’introduzione del 5G in tutti gli Stati Membri, inclusi quelli caratterizzati da limiti più restrittivi come l’Italia.

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Bibliografia

[1] The International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, “Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz),” Health Phys., vol. 74, no. 4, pp. 494-522, Apr. 1998.

[2] ITU, “5G New Radio and System Standardization in 3GPP,” Ginevre, July 2017.

[3] S.Persia, C.Carciofi, M. Barbiroli, C. Volta, D. Bontempelli, G. Anania Radio Frequency Electromagnetic Field Exposure Assessment for future 5G networks”, PIMRC2018, Bologna, September 2018.

[4] IEC62232-Ed2, “Determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the purpose of evaluating human exposure”, August 2017.

[5] S. Persia, C. Carciofi, S. D’Elia, R. Suman, “EMF evaluations for future networks based on Massive MIMO”, PIMRC2018, Bologna, September 2018.

[6] CEI211, “Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettromagnetici nell’intervallo di frequenza 10 kHz – 300 GHz, con riferimento all’esposizione umana – Misura del campo elettromagnetico da stazioni radio base per sistemi di comunicazione mobile (2G, 3G, 4G)”, Settembre 2013.

[7] European Commission, “5G for Europe: An Action Plan”, COM(2016) 588 Final, Brussels, 14.9.2016.

[8] ITU, “Electromagnetic Field Level and 5G Roll-out Expert Meeting,” Roma, November 2017.