Adesso che gli operatori stanno costruendo la rete 5G, è urgente valutare come i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici vigenti in Italia possano incidere sullo sviluppo della nuova rete. Questi limiti risultano essere significativamente più bassi di quelli della maggior parte degli altri paesi, senza che ce ne sia una fondata giustificazione scientifica.
E per questo motivo bisogna stimare quale possa essere il loro impatto rispetto alla qualità e alle caratteristiche della nuova infrastruttura di rete radiomobile.
E’ proprio questo l’obiettivo di uno studio eseguito da un gruppo di lavoro[1] del Politecnico di Milano e del CNR su richiesta di Asstel.
Ne risulta un paradosso: gli attuali limiti penalizzeranno molto il 5G in Italia; tecnologia che tuttavia espone a un “inquinamento” elettromagnetico molto inferiore rispetto a 2G/3G/4G. Lo si evince da un’analisi tecnica e scientifica, che dettaglieremo di seguito.
Limiti di esposizione e rete 5G
Le linee guida relative all’esposizione al campo elettromagnetico identificate dalla comunità scientifica e le normative nazionali ed internazionali sviluppate negli anni sulla esposizione della popolazione a campi elettromagnetici hanno l’obiettivo di proteggere da eventuali effetti nocivi. La loro applicazione comporta dei vincoli nella produzione e funzionamento di apparati elettrici ed elettronici di uso personale (dai forni a microonde ai telefoni cellulari) da un lato, e nella progettazione e gestione di grandi infrastrutture di servizio (come i trasmettitori televisivi e le stazioni radio base delle reti radiomobili), dall’altro.
Per questo secondo, i vincoli hanno lo scopo di proteggere la popolazione che si trova nelle immediate vicinanze (di solito dell’ordine dei metri o poche decine di metri) delle stazioni radio della rete, mentre l’effetto sul resto della popolazione che si trova a distanza maggiore è largamente trascurabile.
Nella progettazione delle infrastrutture, l’applicazione dei vincoli derivanti dalle linee guida si basa su limiti ai valori di grandezze misurabili relative al campo elettromagnetico generato tramite antenne dagli apparati trasmittenti. Oltre ai vincoli di esposizione elettromagnetica, la progettazione considera gli obiettivi di copertura dell’area (percentuale di area servita), di qualità del servizio (velocità in bit al secondo garantita) e di capacità della rete (numero di utenti e traffico generato).
I valori dei limiti di esposizione elettromagnetica hanno ovviamente un impatto sulle caratteristiche della rete progettata. In particolare, limiti bassi richiedono l’utilizzo di un maggior numero di stazioni radio base rispetto al caso di limiti più alti per raggiungere gli stessi obiettivi di copertura e qualità. Ciò perché l’abbassamento della potenza elettromagnetica emessa in caso di limiti stringenti porta ad una riduzione dell’area raggiunta dal segnale e della sua qualità (che dipende dal livello di potenza ricevuto dal terminale d’utente), che deve essere compensata con l’installazione di un maggior numero di stazioni radio.
Quando viene introdotta una nuova tecnologia, come nel caso di quella 5G, la progettazione e l’implementazione della rete sfrutta per quanto possibile l’infrastruttura esistente realizzata con il susseguirsi delle generazioni tecnologiche precedenti; vengono cioè impiegati i siti fisici dove sono già installati gli impianti delle stazioni radio base.
L’aggiunta degli apparati e delle antenne della nuova tecnologia che opera nello spettro di frequenze ad essa assegnato negli stessi siti comporta una valutazione del rispetto dei limiti di esposizione considerando la potenza emessa complessivamente da tutti i sistemi in tutte le frequenze e da parte di tutti gli operatori che condividono il sito.
Nei siti nei quali la progettazione delle tecnologie precedenti (e dei loro adeguamenti con i blocchi di spettro attivati) abbia portato valori di esposizione prossimi ai limiti, l’aggiunta di una nuova tecnologia come il 5G può risultare impossibile, e l’effetto di aumento del numero di siti dovuto a limiti stringenti può risultare in qualche modo amplificato.
Ovviamente, la necessità di realizzare i nuovi siti imposti dai limiti vigenti comporta all’operatore di rete maggiori interventi tecnologici sul territorio (dovuti alla costruzione del sito, acquisto e installazione degli apparati d’impianto) e oneri operativi di esercizio (dovuti all’occupazione dello spazio per l’acquisizione dei siti, alla gestione del maggior numero di apparati e al consumo energetico). Inoltre, l’identificazione di nuovi luoghi dove poter costruire un sito per apparati radiomobili è un processo sempre più difficile e lento a causa del progressivo esaurimento nei centri urbani di luoghi adeguati (palazzi alti con posizioni favorevoli alla copertura) e della scarsa disponibilità dei proprietari, tale da costituire un potenziale rallentamento nell’introduzione della nuova tecnologia 5G.
Le linee guida della comunità scientifica internazionale
Allo scopo di proteggere la popolazione da eventuali effetti sulla salute provocati dalla esposizione ai campi elettromagnetici, sono state messe a punto dagli Organismi preposti Linee Guida internazionali che individuano limiti di esposizione cautelativi valutati e fissati sulla base di verifiche ed evidenze scientifiche circa gli effetti di tale esposizione. A tali Linee Guida fanno diretto riferimento le legislazioni nazionali della stragrande maggioranza dei Paesi europei ed extraeuropei.
Le Linee Guida individuano i limiti per tutte le gamme di frequenza riservate ai servizi mobili (100 MHz-300GHz). La tecnologia di rete non ha alcuna rilevanza rispetto limiti definiti che dipendono soltanto dalla potenza trasmessa dagli impianti e dalla frequenza utilizzata. Tutte le frequenze utilizzate dal 5G, incluse le spesso citate onde millimetriche, ricadono ampiamente all’interno di quelle considerate dalle linee guida.
A livello internazionale le linee guida per la sicurezza dell’esposizione a campi elettromagnetici a radio frequenza sono state sviluppate principalmente da due organismi scientifici, la Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni non Ionizzanti (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP), e l’Istituto degli Ingegneri Elettrici ed Elettronici, Comitato Internazionale sulla Sicurezza Elettromagnetica (IEEE International Committee on Electromagnetic Safety, IEEE ICES).
Entrambi i comitati non si occupano di problemi sociali, economici o politici ed hanno come membri esperti selezionati sulla base delle loro competenze scientifiche. Sono organizzazioni non governative riconosciute dal OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità), dal ILO (Organizzazione Internazionale del Lavoro) e dalla UE (Unione Europea). Le linee guida stabilite in particolare da ICNIRP costituiscono la base per i regolamenti nazionali dei diversi paesi europei.
La procedura per la formulazione delle linee guida internazionali prevede:
- una revisione critica di tutta la letteratura scientifica, mirata ad identificare gli eventuali effetti nocivi per la salute legati all’esposizione ai campi elettromagnetici;
- l’identificazione delle soglie di rischio definite come il livello di esposizione più basso, al di sotto del quale non sono stati riscontrati effetti sul corpo umano;
- la formulazione dei limiti di esposizione mediante l’applicazione di fattori di riduzione di tali soglie, noti come fattori di sicurezza, atti a garantire in via cautelativa la protezione della popolazione.
Le linee guida sono formulate per proteggere la popolazione da effetti nocivi accertati che alle radiofrequenze sono di natura termica. Le linee guida sono pertanto finalizzate ad escludere, a carattere cautelativo, effetti termici nell’organismo potenzialmente rischiosi, mediante la determinazione di ampi fattori di sicurezza rispetto ai valori di soglia oltre i quali detti effetti sono stati osservati.
ICNIRP ha pubblicato nel 1998 le raccomandazioni ancora attualmente vigenti, che sono state sottoposte a revisione nel corso del 2018 dopo un lungo lavoro di rassegna e valutazione della letteratura internazionale intervenuta nei 20 anni successivi all’emissione delle Linee Guida originarie. L’esito formale del processo di revisione è atteso prima dell’estate prossima, ma i contenuti della revisione sono già noti dall’anno scorso e sostanzialmente confermano le Linee Guida già pubblicate nel 1998.
L’ICNIRP ha anche preso in considerazione, tra gli altri, due studi che spesso vengono citati in recenti articoli di stampa a supporto della tesi dell’esistenza di altri effetti nocivi oltre a quelli finora accertati, quello del Programma nazionale di tossicologia degli Stati Uniti e quello dell’Istituto Ramazzini. Su tali studi l’ICNIRP ha pubblicato una nota e concluso che essi non forniscono una base affidabile per la revisione delle linee guida esistenti sull’esposizione alla radiofrequenza a causa di incongruenze e limitazioni che influenzano la validità dei loro risultati.
Le grandezze fisiche di riferimento utilizzate per fissare i limiti sono il SAR (Specific Absorption Rate) misurato in W/kg (watt per chilogrammo), che misura la potenza assorbita dal corpo, e la densità di potenza (P) in W/m2 (watt per metro quadro), che è la grandezza fisica caratterizzante la propagazione dell’onda elettromagnetica nell’ambiente. Il fattore di sicurezza applicato dalle linee guida internazionali è pari a 50 per la popolazione generale esposta al campo. E dunque i limiti fissati dalle raccomandazioni sono 50 volte inferiori rispetto ai valori di soglia minima per i quali sono stati osservati degli effetti sanitari. Per comodità il valore limite è equivalentemente fissato anche in termini di campo elettrico (E) in V/m (volt al metro), legato alla radice quadrata della densità di potenza. Applicando il fattore di sicurezza, le linee guida ICNIRP indicano, per le frequenze considerate in questo studio, un valore limite di 61 V/m, pari a circa 10 W/m2.
Cosa prevede la normativa italiana
La normativa italiana di riferimento (DPCM 8 luglio 2003, successivamente modificato dal D.L. 179/2012, convertito dalla Legge 17/12/2012 n. 221) applica un ulteriore fattore precauzionale e indica un limite di 6 V/m, pari a circa 0.1 W/m2, arrivando dunque ad un fattore di riduzione complessivo sul SAR circa 5000 volte inferiore (con riferimento alla frequenze considerate in questo studio) rispetto ai valori di soglia minimi per i quali sono stati osservati degli effetti e 100 volte inferiore rispetto ai limiti ICNIRP (Fig. 1). Si pensi come parallelo alla soglia sul peso spostabile da un lavoratore per evitare effetti muscolo-scheletrici comunemente indicata in 25 kg (è il motivo per il quale i sacchi di cemento pesano esattamente 25 kg), che costituisce sia la soglia di rischio che il limite normativo (cosa comune a molti campi come quello dell’inquinamento atmosferico). Applicando equivalentemente il fattore di sicurezza dell’ICNIRP il limite diventerebbe di 500 g, mentre applicando anche quello precauzionale italiano diventerebbe di 5 g (Fig. 2).
Fig. 2: Parallelo con limiti di movimentazione di peso.
Per quanto riguarda i limiti di esposizione previsti per legge nell’Unione Europea (Fig. 3), si può osservare che la maggior parte degli stati membri ha adottato come normativa nazionale le linee guida ICNIRP del 1998.
Fig. 3: Limiti di emissione nei paesi della UE per le frequenze considerate nello studio in V/m e in W/m2 (il SAR è direttamente legato alla misura in W/m2).
Realizzazione degli impianti e antenne 5G
I limiti di esposizione si traducono in vincoli nella costruzione degli impianti per proteggere la popolazione che può venire a trovarsi nelle loro immediate vicinanze, a distanze al più di poche decine di metri. A distanze maggiori, nelle strade e negli edifici vicini, la potenza cala molto velocemente e gli effetti di esposizione sono largamente trascurabili.
Le potenze che sono prese in considerazione per il rispetto dei limiti sono la somma di tutte le potenze in tutte le bande di frequenza e per tutte le tecnologie in aggiunta al livello di campo elettromagnetico di fondo dovuto ad altre fonti e misurato in prossimità di ciascun impianto.
Le antenne degli impianti delle generazioni precedenti (4G, 3G, 2G) sono statiche, ovvero il modo in cui irradiano la potenza nelle varie direzioni non cambia nel tempo. Come conseguenza, l’efficienza delle antenne statiche non è particolarmente elevata perché invece che trasmettere istante per istante solo nella direzione del terminale d’utente, irradiano anche inutilmente in altre direzioni.
Le antenne usate dal 5G sono dinamiche e irradiano potenza selettivamente mediante un fascio stretto solo nella direzione dove si trova il terminale d’utente e solo nella misura richiesta dalla qualità del collegamento. La direzione cambia molto velocemente con granularità temporale dell’ordine dei millisecondi. Questo si traduce in una maggiore efficienza e in un minor inquinamento elettromagnetico perché la potenza non viene irradiata in direzioni inutili (Fig. 4).
Fig. 4: Emissione di potenza statica per sistema 2G/3G/4G e dinamica per il 5G.
Anche in questo caso può essere utile fare un parallelo con l’illuminazione artificiale. Nel caso della luce d’ambiente illuminiamo con un unico punto tutti gli spazi all’interno di una stanza. Invece se dobbiamo leggere un libro possiamo usare un faretto direttivo che illumina solo dove necessario con una maggiore efficienza energetica e una minore potenza a pari livello di luminosità sulle pagine del libro (Fig. 5).
Fig. 5: Parallelo con illuminazione artificiale.
Impatto dei limiti su qualità e caratteristiche delle reti 5G
L’esercizio di pianificazione di rete svolto per la stima dell’impatto dei limiti di esposizione al campo elettromagnetico sulla qualità della rete 5G in Italia si basa su delle simulazioni di propagazione elettromagnetica effettuate dagli operatori mobili. Queste sono state ottenute utilizzando strumenti di simulazione, dati di progetto radio e mappe del territorio digitali comunemente utilizzati dagli operatori allo scopo. La progettazione si è basata sull’utilizzo dello spettro di frequenze 3.6-3.8 GHz, tipico dei servizi radicalmente innovativi a più elevate prestazioni e possibili solo grazie alle reti 5G.
Per ovvi motivi di complessità e di tempo necessario, non è stato possibile fare una pianificazione dettagliata dell’intera rete nazionale, ma sono state fatte delle assunzioni semplificative definite dal gruppo di lavoro. Ove possibile, le assunzioni considerate sono state ragionevolmente conservative rispetto alla stima delle criticità dovute al rispetto dei limiti di emissione, come meglio specificato nel seguito. Rispetto alle stime si è scelto di operare secondo “ipotesi di scuola” definite dal gruppo del Politecnico di Milano sulla base di informazioni ottenute singolarmente dagli operatori coinvolti.
La simulazione è stata svolta considerando un insieme di città campione di diverse dimensioni, considerate ragionevolmente significative da poter rappresentare le diverse tipologie di situazioni di urbanizzazione presenti nelle reti dei diversi operatori e da consentire una estrapolazione a livello nazionale.
Nelle simulazioni, ciascun operatore ha considerato gli impianti radio già utilizzati da precedenti tecnologie (impianti 2G/3G/4G) che sono stati classificati in due categorie:
- impianti non espandibili: sono impianti nei quali i limiti attuali della normativa italiana non consentono una espansione 5G in quanto già saturati dalle altre tecnologie presenti;
- impianti espandibili: sono impianti nei quali è ragionevolmente possibile una espansione 5G.
La simulazione di propagazione elettromagnetica e il dimensionamento di rete sono stati eseguiti utilizzando i seguenti criteri di qualità e copertura:
- qualità: efficienza spettrale a bordo cella di 0.375 bit/s/Hz, corrispondente a 30 Mbps con 80 MHz e a 7.5 Mbps con 20 MHz;
- copertura: copertura outdoor del 95% e copertura indoor con riferimento livello del suolo del 60%.
Il criterio di qualità risulta in linea con i valori di efficienza spettrale raggiungibili dal 5G e con i requisiti di banda ultra-larga definiti a livello nazionale, mentre quello di copertura si attesta sui valori minimi comunemente utilizzati dagli operatori per le zone urbanizzate, in linea con il disciplinare di gara delle frequenze 5G.
L’analisi comparata delle reti pianificate è stata basata su tre scenari di riferimento:
- Scenario 0: solo impianti attuali espandibili. Viene valutata la copertura come percentuale di area che soddisfa l’obiettivo di qualità
- Scenario 1: impianti attuali espandibili e altri impianti aggiuntivi (nuovi o, ove possibile, re-ingegnerizzati) fino al raggiungimento del target di qualità;
- Scenario 2: tutti gli impianti attuali e eventuali altri aggiuntivi fino al raggiungimento del target di qualità.
I risultati hanno mostrato che, utilizzando solo i siti attuali espandibili, la qualità della rete è pessima e la copertura presenta buchi nei centri urbani tali da rendere l’uso del 5G per gli scenari applicativi avanzati impossibile.
Inoltre, i risultati ottenuti hanno mostrato che la percentuale media di impianti non espandibili è risulta essere pari al 62%, che opportunamente proiettata a livello nazionale corrisponde a 27.900 impianti per cui occorre prevedere interventi di re-ingegnerizzazione (come ad esempio innalzamento dell’altezza delle antenne con pali più alti) o nuovi siti.
Infine, si è potuto constatare come con un innalzamento dei limiti a quelli indicati dall’ICNIRP, tutti i siti risultano espandibili e sufficienti nella maggior parte dei casi a raggiungere gli obiettivi di qualità e copertura. Successive espansioni della rete per aumentarne la capacità saranno ovviamente possibili da parte degli operatori quando e dove sorgerà la necessità conseguente alla crescita di traffico da parte degli utilizzatori finali, fermo restando i limiti all’esposizione ai campi elettromagnetici, come definiti dalla normativa applicabile.
[1] Il gruppo di lavoro è composto dal dott. Paolo Ravazzani (CNR), dott.ssa Serena Fiocchi, dott.ssa Emma Chiaramello, prof. Michele D’Amico, prof. Carlo Riva, ing. Luca Dell’Anna, prof. Antonio Capone.
