BASE TRANSCEIVER STATION

Con il termine BTS si indica l'unità funzionale costituita dall'insieme dei transceiver (ricetrasmettitori) e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella. Solitamente ci si riferisce alle BTS anche con il termine Stazioni Radio Base (SRB). Le BTS gestiscono la comunicazione radio con le MS esplicando diverse funzioni, quali:

• Frequency Hopping.
• Discontinuous Transmission (DTX).
• Dynamic Power Control (DPC).
• Antenna Diversity.
• Gestione degli algoritmi di cifratura.
• Monitoraggio della connessione radio mediante misurazioni sulla qualità dei canali di segnalazione e traffico ed inoltro di queste al BSC affinché le elabori e prenda le necessarie decisioni.

I requisiti fondamentali richiesti ad una BTS sono la regolarità di funzionamento, l'affidabilità, la compatibilità e il minimo costo dato il grande numero di BTS dispiegate sul territorio, specialmente nelle aree urbane più estese.

La rete GSM Omnitel utilizza componenti Nokia di ultima generazione; la rete Wind componenti Ericsson mentre la rete TIM componenti di propria produzione e di altre case, tra cui: Italtel, Ericsson e Siemens. tutti utilizzano, per la maggior parte, antenne della Kathrein per le loro BTS.

Alcuni dettagli realizzativi di una stazione BTS

Una stazione radio base è essenzialmente costituita da un traliccio sul quale sono collocate diverse antenne (Fig.3). Se possibile si tenta di utilizzare edifici e torri già esistenti (Fig.6). Non è raro vedere transceiver GSM installati sui tralicci radiotelevisivi RAI e Mediaset oppure appesi alle cisterne degli acquedotti. Ovviamente il tutto è finalizzato a minimizzare sia i costi di realizzazione che l'impatto ambientale provocato.

Antenne omnidirezionali a basso guadagno
La struttura più semplice prevede solo due antenne (una per ricevere e una per trasmettere) di tipo omnidirezionali a frusta (Fig.4-1), cioè in grado di "illuminare" uniformemente il segnale in tutte le direzioni. La BTS si trova quindi al centro della cella che irradia. Questa soluzione è usata per "coprire" zone a bassa intensità di traffico, ad esempio autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti.

Antenna diversity
Per migliorare la qualità del segnale ricevuto spesso si utilizzano due antenne riceventi, poste ad una distanza pari ad un multiplo dispari di un quarto di lunghezza d'onda (a 900 MHz la lunghezza d'onda é di 30 cm). Questa tecnica, nota come Antenna diversity o diversità nello spazio, consente di risolvere i problemi connessi al fading. Le antenne possono essere spaziate verticalmente o orizzontalmente; nel primo caso si ha una maggiore facilità di installazione, mentre nel secondo caso si hanno prestazioni superiori.

Splitting
Per aumentare la capacità di traffico in aree densamente popolate, mantenendo nel contempo la copertura radio con celle grandi nelle aree a bassa densità di traffico, si ricorre allo splitting. Una tecnica che consiste nel suddividere una cella di dimensioni relativamente grandi in un certo numero di celle più piccole.

Sectoring (antenne direzionali ad alto guadagno)
Utilizzando antenne omnidirezionali, lo splitting richiede l'installazione di nuove BTS con un aumento dei costi e dell'interferenza di cocanale. Una possibile alternativa è quella di suddividere una cella in un certo numero di settori, ognuno dei quali è "illuminato" da una antenna direttiva (o pannello), cioè un'antenna che non "illumina" uniformemente in tutte le direzioni, ma concentra il flusso di potenza entro un cono prestabilito. Ogni settore può così essere considerato come una nuova cella. L'utilizzo di antenne direzionali riduce le interferenze di cocanale e consente ad uno stesso sito cellulare di illuminare più celle (o settori).

Una struttura tipica è quella del sito tricellulare, detto anche clover, in cui si hanno: 3 celle per sito, ognuna servita da un'antenna trasmittente e due antenne riceventi direttive (una sola se l'antenna diversity non è implementata); ogni settore ha direzione di puntamento separata di 120° rispetto agli adiacenti. E' utilizzata anche la struttura bicella in cui si hanno due celle per sito con le antenne dei due gruppi disposte back-to-back lungo la stessa direzione (con verso di illuminazione opposto). Raramente utilizzata, soprattutto qui in Italia, la configurazione con quattro settori a 90° (cioè con i settori disposti sui lati di un quadrato).

Fig.2 - Possibili disposizioni dei settori in una stazione BTS.

Tilting
L'utilizzo di antenne direttive riduce le interferenze lungo certe direzioni, ma le aumenta nella direzione di massimo irraggiamento. Ad esempio, si deve assolutamente evitare che le antenne di due BTS si "guardino" direttamente. Per ridurre queste interferenze si introduce un tilt sulle antenne, cioè un'inclinazione verso il basso, di pochi gradi, della direzione di puntamento. Il tilting viene utilizzato anche per regolare il raggio di copertura della cella: più le singole antenne sono tiltate verso il basso, minore sarà il raggio della cella.

Il tilting può essere di tipo meccanico, montando un apposito kit per inclinare le antenne, oppure di tipo elettrico (senza nessun intervento meccanico sulle antenne stesse) molto più agevole.

Esempi di possibili configurazioni per una stazione BTS

Per cercare di rendere più chiare le note sopra esposte ecco alcuni esempi di possibili configurazioni per una BTS (Clickando su alcune immagini è possibile accedere ad un loro ingrandimento).

Fig.3 - BTS in configurazione clover.

In fig.3 sono ritratte due stazioni radio base. La BTS a sinistra è installata su un traliccio d'illuminazione di uno stadio, la BTS a destra su un traliccio metallico autoportante. In entrambe si notano i tre settori, ciascuno composto da 3 antenne direzionali a pannello montate orizzontalmente. Una BTS che irradia 3 settori è detta in configurazione clover; entrambe le BTS di fig.3 sono quindi dei clover.

Ogni settore "gestisce" una cella. Il numero dei settori complessivamente installati sul sito determina il numero di celle irradiate nel complesso dalla BTS. Ciascun settore è composto da due antenne riceventi esterne e da un'antenna trasmittente al centro. La presenza di due antenne riceventi per settore evidenzia che queste BTS implementano l'antenna diversity. In un settore i diversi pannelli direzionali possono essere installati indifferentemente sia affiancati orizzontalmente (Fig.3) che sovrapposti verticalmente (Fig.4.3).

 

Fig.4-1 - BTS monocella	Fig.4-2 - BTS bicella	Fig.4-3 - BTS clover

In fig.4.1 è ritratta una BTS monocella della rete GSM austriaca A1. Installata su traliccio autoportante, dispone di due antenne omnidirezionali senza antenna diversity. E' il tipo più semplice e meno costoso, ma anche meno performante.

In fig.4.2 abbiamo invece un esempio di BTS bisettoriale (bicella). Anch'essa installata su traliccio autoportante, dispone di 2 settori disposti back-to-back con antenne direzionali e antenna diversity (3 pannelli per settore). Alcune volte in questa tipologia di BTS le antenne trasmittenti sono poste su un piano rialzato rispetto alle riceventi per evitare interferenze dovute al sovrapporsi dei lobi di illuminazione in ricezione e in trasmissione (180°).

In fig.4.3 è ritratta una BTS trisettoriale clover di tipo a basso impatto visivo ed ambientale, con dispositivi di duplice (configurazione molto utilizzata in Germania e Austria). Dispone di 3 settori, ognuno formato da 2 pannelli montati verticalmente. Utilizza un dispositivo di duplice abbinato a tecniche di diversità di polarizzazione che consente di realizzare i settori con due sole antenne pur continuando ad implementare l'antenna diversity.

In questa tipologia un pannello a doppia polarizzazione è utilizzato sia in trasmissione che in ricezione (ad es. trasmette in polarizzazione verticale e riceve in polarizzazione orizzontale), l'altro invece è utilizzato solo in ricezione in polarizzazione opposta rispetto al primo.

Fig.5 - BTS clover con una antenna a doppia polarizzazione per settore (Fonte: sito Omnitel).

In fig.5 infine un esempio di BTS utilizzata per ridurre al massimo l'impatto ambientale, ove necessario per particolari esigenze architettoniche o paesaggistiche. Rinunciando all'antenna diversity è infatti possibile realizzare un settore con una sola antenna a doppia polarizzazione.

Come contropartita alle configurazioni degli esempi di fig.4.3 e fig.5 si ottiene uno scadimento delle prestazioni rispetto a BTS clover tradizionali (3 antenne per settore). Il raggio di copertura della cella risulta più piccolo e richiede l'installazione di un numero maggiore di BTS.

Se possibile si tenta di utilizzare edifici e torri già esistenti e si tenta di prendere in considerazione la riconversione d’uso di vecchi edifici, soprattutto nelle aree urbane (Fig.6).

Fig.6 - Esempi di BTS installate sopra i palazzi (roof top).

In fig.7 due esempi di BTS installate, in paesi di montagna, con un minimo impatto ambientale sulle facciate di campanili. In questo modo si è risparmiato l'uso di un vistoso e antiestestico traliccio metallico (tra l'altro, in entrambi i casi, presente a poche centinaia di metri ospitante le BTS del gestore concorrente). Se non riuscite ad individuare i pannelli sulla facciata del campanile di sinistra provate con questo l'ingrandimento.

Fig.7 - Esempi di BTS installate (e mimetizzate) sulle facciate di campanili.

Direttamente dal catalogo Kathrein, in fig.8, due splendidi esempi di mimetizzazione possibile per una BTS. A destra tre pannelli installati sulla facciata di una torre antica, a sinistra un sito omnidirezionale installato rooftop su un palazzo antico, con le antenne a ricordare normali dei parafulmini. Mentre in fig.9 addirittura due BTS mimetizzate da albero! Si può concludere che, volendolo, sarebbe davvero possibile rendere invisibili le installazioni radio delle reti cellulari. Purtroppo i costi maggiori da sostenere ne limitano l'uso solo nei casi veramente indispensabili.

Fig.8 - Esempi di BTS straniere perfettamente mimetizzate (Fonte: catalogo Kathrein).

Fig.8 - Esempi di BTS mimetizzate da albero.

Per concludere la carrellata ecco in fig.10 un esempio di BTS per uso ferroviario. Disposta lungo la linea, utilizza particolari pannelli con un cono di apertura orizzontale estremamente ridotto. Presto ne vedremo installate parecchie lungo le nostre linee, il futuro delle comunicazioni ferroviarie tra terra e bordo è proprio nel sistema GSM.

Fig.10 - Esempio di BTS per uso ferroviario installata lungo una linea.

Settori TIM

La TIM gestisce in Italia sia la rete GSM che la rete analogica E-TACS, la maggior parte dei siti installati risultano quindi condivisi fra i due sistemi. In particolare ogni settore dispone di antenne riceventi condivise e di un'antenna trasmittente dedicata per ciascun sistema. Ciò spiega perchè i settori TIM sono costituiti, nella maggior parte, da quattro e non tre antenne. Non tutti i siti TIM sono condivisi, ne esistono alcuni soltanto GSM o E-TACS. In questo caso i settori sono giustamente composti da 3 antenne.

Fig.11 - Dettaglio di un settore di una BTS TIM.