relazione al Convegno di Stresa 2019

1. La sperimentazione 5G a Roma: esperienza di misura in campo nella
banda delle onde millimetriche
D. Franci1, S. Pavoncello1, E. Grillo1, S. Coltellacci1, R. Cintoli1, T. Aureli1, F. Spadafora2, E. Merli3
1ARPA Lazio
2Keysight Technologies Italia
3Fastweb S.p.A
daniele.franci@arpalazio.gov.it
INTRODUZIONE
La sperimentazione Fastweb S.p.A./Ericsson Italia a Roma va ad arricchire il panorama delle
sperimentazioni 5G disseminate su tutto il territorio nazionale. L’installazione di un impianto 5G,
operante nella banda delle onde millimetriche, all’interno del complesso museale delle Terme di
Diocleziano, ha costituito un formidabile banco di prova per mettere a punto le prime procedure di
misura sui segnali di nuova generazione, fino ad oggi sviluppate e testate esclusivamente su
segnali generati in laboratorio. Grazie alla collaborazione di Keysight Technologies Italia, lo studio
ha previsto una fase preliminare di generazione in laboratorio e la decodifica di segnali 5G ‘ideali’
finalizzata alla ottimizzazione della procedura operativa da seguire in campo per la misura del
primo segnale 5G commerciale attivo nel territorio del Comune di Roma. Le sessioni di misura in
campo hanno consentito di produrre prime stime (preliminari) del fattore di abbattimento statistico
– intrinseco della tecnologia 5G e introdotto nel documento IEC TR 62669:2019 [1].
IL SEGNALE 5G
Una trattazione esaustiva delle caratteristiche del segnale 5G esula dalle finalità di questo
lavoro. Pertanto ci si concentrerà sulle caratteristiche principali della nuova tecnologia,
evidenziando qualora possibile eventuali analogie o differenze rispetto alla tecnologia 4G,
rimandando per approfondimenti alla letteratura specifica [2-3].
 Bande di frequenza: il segnale 5G in Italia verrà implementato in due macro-regioni
dello spettro elettromagnetico: sub-6 GHz (con blocchi nelle bande 700 e 3700 MHz) e
mmWave (con blocchi nella banda 26 GHz). L’analogia con il segnale LTE è evidente in
quanto anch’esso è stato implementato in diverse regioni dello spettro elettromagnetico;
 Larghezza di banda: le larghezze di banda ammesse dallo standard LTE sono 1.4, 3,
5, 10, 15 e 20 MHz. La tecnologia 5G estende la larghezza massima consentita fino a
100 MHz per il segnale sub-6 GHz e 400 MHz per il segnale mmWave;
 Numerologia: a differenza del LTE – dove l’unico valore consentito per la spaziatura di
una sottoportante è 15 kHz – la tecnologia 5G supporta diverse numerologie, indicate
dal parametro . Tale parametro può variare da 0 a 4 ed è strettamente legato alla
spaziatura delle sottoportanti dalla formula f = 2
∙ 15 kHz. Di conseguenza, anche la
durata del simbolo è connessa a , in quanto inversamente proporzionale a f. Nello
specifico, =3 e 4 sono riservati esclusivamente alla segnale 5G nella banda mmWave.
Da notare che la trame del segnale 5G può essere frazionata in bandwidth parts che
possono far riferimento a numerologie diverse (ad esempio, numerologie diverse per i
canali di controllo e per i dati);
 Struttura del frame: il frame 5G ha la medesima durata del frame LTE (10 ms) ed è allo
stesso modo costituito da 10 subframes ciascuno di durata 1 ms. Tuttavia, mentre per il
segnale LTE ogni subframe è sempre costituito da un numero fissato di simboli OFDM,
per il segnale 5G tale numero dipende dalla numerologia. In generale, nella tecnologia
5G, uno slot è costituito da 14 simboli e il numero di slot contenuti in un subframe è

2. 2
. Pertanto si va da un minimo di 140 simboli per frame per =0 (condizione analoga al
segnale LTE) fino a un massimo di 2240 simboli per frame per =4;
 Duplexing FDD/TDD: analogamente alla tecnologia LTE, anche il 5G prevede due
possibili modalità di accesso alla risorsa radio: Frequency Division Duplex (FDD), dove
le trasmissioni di downlink e uplink viaggiano su frequenze separate e Time Division
Duplex (TDD), dove downlink e uplink condividono la medesima banda di frequenza,
occupandola alternativamente in specifici slot temporali previsti dallo standard. La
modalità TDD implementata dal 5G è è analoga quella del segnale LTE. Le differenze
principali sono che la configurazione della direzione di trasmissione avviene a livello di
subframe per il segnale LTE e di slot per il 5G e che per il 5G esistono molte più
configurazioni rispetto alla controparte LTE;
 Canali di controllo: la tecnologia 5G prevede un utilizzo più intelligente delle risorsa
radio, limitando l’emissione dei canali di segnalazione e controllo esclusivamente
ad alcune finestre temporali. Tale caratteristica è profondamente differente rispetto a
quanto avviene nel segnale LTE dove il Reference Signal è costantemente presente
all’interno della trama. Il canali di segnalazione e controllo per il 5G sono del tutto
analoghi a quelli del LTE – PSS, SSS, PBCH, PBCH_DMRS1
- ma sono compressi in
una struttura chiamata SS-Block che viene trasmessa solo in specifiche locazioni di
trama previste dallo standard. La struttura del SS-Block verrà approfondita più avanti nel
paragrafo;
 Beam sweeping e beamforming: la differenza più marcata rispetto alla tecnologia 4G
risiede nella dinamicità del diagramma di radiazione prodotto dale antenne operanti in
tecnologia 5G. A fronte di un corrispettivo diagramma LTE statico tempo-invariante, la
nuova tecnologia propone fasci che nel tempo scansionano porzioni di spazio differenti
per ottimizzare la connessione con gli UE distribuiti attorno alla SRB. A ciascun fascio è
tipicamente associato uno specifico SS-Block. Questa caratteristica rappresenta una
vera rivoluzione nell’ottica della valutazione dell’esposizione umana in quanto cade il
paradigma che i canali di controllo vengano acquisiti sempre a potenza costante.
La potenza misurata per ciascun SS-Block dipenderà infatti dalla specifica forma del
fascio a cui tale blocco si riferisce. La procedura è ulteriormente complicata dal fatto che
la SRB è in grado di raffinare ulteriormente la forma del beam una volta che ha stabilito
una connessione con l’UE, dando luogo al fenomeno del beamforming.
Il Synchronization Signal Block (SS-Block) è la struttura fondamentale utilizzata dalla tecnologia
5G per gestire la connessione con gli UE. Il blocco – Figura 1 – ha una durata di 4 simboli e ha, nei
simboli 2, 3 e 4, un’estensione massima pari a 240 sottoportanti. Il primo simbolo ospita le 127
portanti del PSS, mentre il secondo e il quarto sono occupate dal PBCH. Il terzo simbolo, invece, è
condiviso dal SSS – che occupa le 127 portanti centrali – e dal PBCH che occupa 48 sottoportanti
al di sopra e al di sotto del SSS (i due canali sono opportunamente separati da alcune sottoportanti
di guardia). Disseminato all’interno del PBCH si trova il PBCH_DMRS che funge da Reference
Signal allo scopo di rendere possibile la decodifica del PBCH da parte del terminale mobile.
Il numero e la posizione degli SS-Block all’interno della trama sono fissati dallo standard 5G e
definiti in specifici Case (A, B, C, D ed E). Indipendentemente dal case, però, gli SS-Blocks sono
contenuti in 5 ms, ovvero metà trama. L’intero set degli SS-Block locato entro i 5 ms assegnatogli
dallo standard è chiamato SS-Burst ed è trasmesso periodicamente, con T generalmente pari a 5,
10 o 20 ms (Figura 2).
1
Il PBCH_DMRS è analogo al Reference Signal del segnale LTE

3. Figura 1 - Struttura del SS-Block
Figura 2 - Periodicità degli SS-Burst
La caratteristica peculiare del 5G di trasmettere la segnalazione in blocchi separati sta alla base
del concetto di beam sweeping. Come già anticipato, i diversi SS-Blocks sono veicolati nello
spazio mediante fasci che variano la loro direzione nel tempo (Figura 3). Tale tecnica è realizzata
sfruttando antenne di nuova generazione, dotate di un array di elementi radianti tra loro
indipendenti. Il beam sweeping consente di ottimizzare la copertura dell’impianto 5G, limitando allo
stesso tempo il consumo di potenza. Il fatto che la segnalazione venga trasmessa, istante per
istante, in direzioni differenti implica che le misure di potenza ricevuta del SS-Block non siano
costanti nel tempo.

4. Figura 3 - Schematizzazione del beam sweeping
ESPERIENZA SUL SEGNALE GENERATO IN LABORATORIO
La prima esperienza di misura su un segnale in tecnologia 5G è stata effettuata presso i
laboratori Keysight Technologies Italia di Roma, con l’ausilio di un generatore vettoriale Keysight
Technologies MXG N5182B equipaggiato con il modulo software Signal Studio per la generazione
di segnali 5G NR (Figura 4).
Figura 4 - Setup sperimentale
Il segnale generato è stato analizzato con un analizzatore vettoriale Keysight Technologies UXA
N9040B munito del software di analisi VSA aggiornato alla versione compatibile con il segnale in
tecnologia 5G. Le caratteristiche del segnale generato sono:
1) Frequenza centrale 3500 MHz;
2) Larghezza di banda 100 MHz;
3) f = 30 kHz (= 1, Case C);
4) 8 SS-Blocks, in corrispondenza dei simboli {2,8} + 14n, con n=0,1;
5) Frequenza centrale degli SS-Blocks coincidente con la frequenza centrale del segnale;
6) Duplexing FDD.
La visualizzazione del segnale 5G in modalità ‘classica’ mostra uno spettro abbastanza simile
alla controparte LTE, con ripidi fronti di salita e discesa tipici del segnale OFDM. La differenza più
evidente risiede nella larghezza di banda – 100 MHz contro (al massimo) 20 MHz del segnale 4G
(Figura 5).

5. Figura 5 - Visualizzazione dello spettro del segnale 5G generato
Il segnale è stato successivamente generato escludendo i canali di traffico, al fine di evidenziare
più chiaramente le caratteristiche degli SS-Blocks. Per il Case C preso in esame, le caratteristiche
degli SS-Blocks sono:
 Larghezza di banda: 240 Resource Elements x 30 kHz = 7,2 MHz
 Durata: 4 simboli / (30000 Hz) ≈ 130 s.
Il segnale è stato acquisito con l’analizzatore UXA e analizzato con il modulo 5G del software
VSA (Figura 6). La schermata mostra il diagramma IQ dei canali di controllo associati agli SS-
Blocks, il riepilogo delle misure dei parametri di sincronizzazione, la trama del segnale con
posizione e composizione degli otto SS-Blocks che costituisco il SS-Burst, lo spettro acquisito, la
potenza misurata per ciascun SS-Block e il riepilogo della potenza associata a ciascun canale di
controllo (PSS, SSS, PBCH e PBCH_DMRS).
Figura 6 - Schermata di analisi del segnale 5G del software VSA
Analizzando nel dettaglio lo spettro si può apprezzare che la larghezza di banda associata agli
SS-Block corrisponde a 7.2 MHz, esattamente la larghezza prevista dallo standard per  = 1
(Figura 7).

6. Figura 7 - Spettro associato agli SS-Blocks del segnale 5G
Ulteriori valutazioni relative alla struttura degli SS-Block possono essere fatte impostando
l’analizzatore in modalità span zero, al fine di visualizzare il profilo della potenza acquisita in
funzione del tempo (Figura 8). Le impostazioni utilizzate sono:
 Span Zero;
 fC = 3500 MHz;
 Sweep Time = 5 ms (ovvero uno sweep time sufficientemente lungo da visualizzare tutti
gli otto SS-Blocks del burst);
 RBW = 8 MHz (ovvero un RBW maggiore della larghezza di banda associata agli SS-
Block al fine di catturare l’intera potenza).
La visualizzazione in span zero consente anche di valutare la durata del singolo SS-Block. Tale
durata risulta essere circa 130 s, anch’essa in ottimo accordo con quanto previsto dallo standard.
La determinazione della potenza degli SS-Blocks è stata effettuata sempre in modalità span zero e
utilizzando l’utility Band Power fornita dall’analizzatore UXA (Figura 9). Tale funzione consente di
aprire delle finestre temporali – impostate per l’occasione a 200 s per essere sicuri di acquisire
tutta la potenza associata al singolo SS-Block e, nel contempo, di evitare sovrapposizioni tra le
finestre di analisi – all’interno di ciascuna delle quali viene effettuato un Channel Power. Le
potenze acquisite per i diversi SS-Blocks sono riportate in Tabella 1, dalla quale si evince che essi
sono trasmessi dal generatore tutti alla stessa potenza. Tale comportamento è congruente con il
fatto che, in assenza di una adeguata antenna, il segnale generato in laboratorio non implementa il
beam sweeping. Il beam sweeping, pertanto, è una caratteristica peculiare del segnale generato
da impianti on air.

7. Figura 8 - Analisi in span zero degli SS-Blocks
Figura 9 - Band Power sugli SS-Blocks

8. Tabella 1- Potenza acquisita per ciascun SS-Block del segnale generato
SS-Block index SS-Block power [dBm]
1 -13.28
2 -13.25
3 -13.26
4 -13.26
5 -13.27
6 -13.29
7 -13.20
8 -13.29
MISURE SUL SEGNALE 5G ON AIR
L’esperienza di misura maturata sul segnale 5G generato in laboratorio è stata applicata sul
primo segnale 5G on air attivo a Roma. L’impianto afferisce alla sperimentazione 5G condotta da
Fastweb S.p.A e Ericsson Italia nell’ambito del Protocollo d’Intesa siglato con Roma Capitale.
L’area selezionata è quella del complesso museale delle Terme di Diocleziano e l’impianto 5G è
asservito a uno use case che prevede l’utilizzo della AR/VR per rendere più immersiva
l’esperienza del visitatore, attraverso dettagliate ricostruzioni 3D dell’aspetto originale degli
ambienti del complesso.
L’impianto 5G serve un UE prototipale statico, posizionato in linea di vista rispetto all’antenna
trasmittente. L’installazione e la postazione di misura è dettagliata in Figura 10.
Figura 10 - Dettaglio fotografico dell’installazione, della UE e della postazione di misura

9. Le caratteristiche del segnale 5G irradiato dall’impianto delle Terme di Diocleziano sono le
seguenti:
1. fC = 27742.06 MHz;
2. Larghezza di banda = 100 MHz;
3. f = 240 kHz per gli SS-Blocks (= 4, Case E) – larghezza di banda degli SS-Blocks =
57.6 MHz;
4. f = 120 kHz per il PDSCH (= 3, Case D);
5. Frequenza centrale degli SS-Blocks = 27740.62 MHz (ovvero 1.44 MHz al di sotto della
fC);
6. 12 SS-Blocks attivi su 64 previsti da standard;
7. Duplexing TDD con struttura del frame del tipo D-D-D-S-U-D-D-S-U-U;
8. Struttura dello slot S del tipo D:G:U = 10:4:0 (ovvero 10 simboli dedicati al downlink, 4
simboli di guardia e zero simboli dedicati all’uplink).
E’ stato evidente sin dal principio come il segnale 5G implementato da Fastweb ed Ericsson
rappresentasse un eccezionale banco di prova per testare e affinare le procedure di misura di
segnali di nuova generazione. Le caratteristiche salienti, che distinguono questo segnale rispetto a
tutti gli altri segnali attualmente implementati in Italia sono:
 La frequenza di esercizio, che lo pone come unico esempio di segnale 5G attualmente
nella banda millimetrica;
 L’implementazione di bandwidth parts distinte per canali di controllo e traffico, con
l’utilizzo di due differenti numerologie;
 Uno schema TDD complesso, basato sulla personalizzazione simbolo per simbolo
della trama.
Le misure sul segnale 5G Fastweb/Ericsson sono state effettuate con l’analizzatore Keysight
Technologies UXA già utilizzato per l’esperienza in laboratorio e l’antenna logaritmica HL050 della
Rohde & Schwarz. La Figura 11 mostra lo spettro del segnale, evidenziando la larghezza di banda
pari a 100 MHz dello stesso. Ricalcando le prove eseguite in laboratorio, è stata successivamente
effettuata una misura in span zero che ha permesso di evidenziare le diverse peculiarità del
segnale oggetto di studio (Figura 12). Per l’analisi in span zero è stata impostata la frequenza
centrale degli SS-Blocks (che ricordiamo essere 1.44 MHz al di sotto della fC). Inoltre la RBW è
stata fissata pari a 8 MHz: tale valore, a differenza dell’esperienza in laboratorio, non permette di
catturare l’intera potenza degli SS-Blocks, in quanto la larghezza di banda di quest’ultimi è pari a
57.6 MHz per = 4. Il valore di RBW pari a 8 MHz rappresenta tuttavia il limite superiore
raggiungibile dallo strumento: ciò implica che la misura in span zero non può essere utilizzata per
una valutazione quantitativa della potenza associata agli SS-Blocks.

10. Figura 11 - Spettro del segnale 5G alle Terme di Diocleziano
Figura 12 - Misura in span zero con l’UE attivo
Un’analisi approfondita dello spettro in Figura 12 evidenzia alcune caratteristiche salienti del
segnale:
 In primo luogo, è chiaramente visibile la struttura D-D-D-S-U-D-D-S-U-U del duplexing
TDD implementato dalla trama del segnale. Si noti che, data la prossimità dell’antenna
ricevente rispetto allo UE, nello spettro è possibile distinguere chiaramente anche il
contributo energetico degli slot/simboli dedicati all’uplink.
 La durata del singolo slot PDSCH, misurata pari a circa 120 s, risulta essere
perfettamente compatibile con quanto previsto dallo standard per la numerologia = 3
(14 simboli / 120000 Hz = 116 s). Si ricordi a tal proposito che il segnale implementa
numerologie differenti per gli SS-Blocks e il PDSCH.
 Gli SS-Blocks sono perfettamente identificabili all’interno della trama e mostrano, a
differenza di quanto osservato al generatore, una potenza altamente variabile. Tale
variabilità è perfettamente compatibile con l’implementazione del beam sweeping.
Successivamente lo UE è stato disattivato allo scopo di annullare il traffico dati in entrambe le
direzioni e di concentrarsi sugli SS-Blocks (Figura 13). E’ stato possibile determinare

11. sperimentalmente il periodo di trasmissione degli SS-Blocks (5 ms) – immagine a sinistra - e di
verificare che la durata degli stessi fosse compatibile con quanto previsto dallo standard –
immagine a destra. I 60 s indicati nell’immagine a destra si riferiscono alla durata di 3 SS-Blocks
con numerologia = 4, che da standard sono previsti durare 12 simboli / 240000 Hz = 50 s. Lo
scostamento lieve dal valore atteso può essere spiegato dall’utilizzo forzato di una RBW molto più
piccola rispetto alla larghezza di banda complessiva del SS-Block.
Dopo le valutazioni in span zero si è proceduto alla misura vettoriale della potenza dei canali di
controllo e, in generale, degli SS-Blocks. Dopo aver impostato opportunamente i parametri di
misura all’interno del modulo 5G del software VSA è stato possibile sincronizzarsi con successo
con il segnale in esame (Figura 14). Da notare che, nonostante la distanza rispetto all’antenna
trasmittente, la ridotta potenza di emissione dell’impianto e l’elevata attenuazione tipica della
regione delle onde millimetriche, il grado di correlazione ottenuto – superiore al 99% - è da
ritenersi ottimo.
Figura 13 - Misura in span zero con l’UE disattivato – sweep time differenti
Figura 14 - Analisi vettoriale del segnale 5G
La Tabella 2 riporta le potenze acquisite per ciascuno dei 12 SS-Blocks. L’estrema variabilità
delle potenze associate ai diversi SS-Blocks conferma l’intuizione che l’effetto del beam sweeping
nella misura del segnale 5G si traduce in un canale di controllo ricevuto a potenza non
costante. La potenza ricevuta non costante non è da attribuirsi a una potenza trasmessa
variabile associata ai differenti SS-Blocks ma, al contrario, è indicativa di SS-Blocks
trasmessi a potenza costante ma veicolati da fasci la cui direzione di massimo
irraggiamento risulti più o meno allineata rispetto alla posizione del punto di misura. Il
fattore di riduzione della potenza ricevuta a causa del beam sweeping può essere facilmente
stimato come il rapporto tra la potenza media dei 12 SS-Blocks e la potenza del SS-Block più
intenso. Tale rapporto, per l’impianto in esame e per lo specifico punto di misura scelto,

12. risulta essere pari a circa il 18%. Il valore ottenuto, sebbene riferito ad una situazione ideale di
totale assenza di traffico, può essere considerato un importante punto di partenza per la
definizione rigorosa del fattore di abbattimento statistico introdotto dal TR 62669:2019
Tabella 2 - Potenza acquisita per ciascun SS-Block del segnale Fastweb/Ericsson
SS-Block index SS-Block power [dBm]
1 -76.973
2 -83.541
3 -84.142
4 -66.277
5 -78.228
6 -83.984
7 -65.333
8 -76.826
9 -83.896
10 -75.850
11 -78.821
12 -84.135
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
Il presente lavoro costituisce una sintesi dell’attività condotta dall’ARPA Lazio nell’ultimo
semestre sui segnali 5G di nuova generazione.
Gli obiettivi principali che tale attività si è prefissa sono:
1. La verifica strumentale dei fattori di abbattimento statistici dovuti all’utilizzo delle antenne
attive che implementano il massive MIMO recepiti dallo IEC nel TR 62669:2019;
2. L’elaborazione di una procedura di misura che consenta di valutare il campo
elettromagnetico prodotto da un segnale fortemente variabile nel tempo e nello spazio
quale il segnale 5G.
L’installazione, nell’ambito della sperimentazione 5G Fastweb/Ericsson a Roma, di un impianto
5G, operante nella banda delle onde millimetriche, all’interno del complesso museale delle Terme
di Diocleziano, ha costituito un formidabile banco di prova per mettere a punto le prime procedure
di misura sui segnali di nuova generazione, fino ad oggi sviluppate e testate esclusivamente su
segnali generati in laboratorio.
In riferimento alla linea di attività 1, sebbene la determinazione strumentale del fattore di
abbattimento statistico sia stata eseguita in assenza di traffico e considerando i soli rapporti di
potenza tra gli SSB dei diversi beam e dunque sia necessariamente da considerarsi un lavoro allo
stato “embrionale”, ha sicuramente fornito un risultato (18%) in linea con i fattori di abbattimento
descritti nel citato TR 62669:2019.
In riferimento alla linea di attività 2 la demodulazione di un segnale 5G complesso come quello
esaminato lascia immaginare come sia possibile stimare il campo elettromagnetico prodotto da un
sistema 5G, fortemente variabile nel tempo e nello spazio, con formule di estrapolazione simili a
quelle utilizzate per le tecnologie precedenti.
Le due linee di attività descritte saranno oggetto di ulteriori studi e valutazioni nei prossimi mesi
con segnali 5G operanti in bande di frequenza non millimetriche.
Bibliografia

13. [1] IEC TR 62669:2019, “Case studies supporting IEC 62232 - Determination of RF field strength, power
density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the purpose of evaluating
human exposure”.
[2] ETSI TR 138 912 “5G; Study on New Radio (NR) access technology”.
[3] Quick Reference 5G/NR http://www.sharetechnote.com/html/5G/Handbook_5G_Index.html