Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM’04
_________________________________________________________________________________

Paweł BIEŃKOWSKI
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji i Akustyki
Laboratorium Wzorców i Metrologii Pola Elektromagnetycznego
Wiesław FLAKIEWICZ
EnviPol – Badania i Oceny Zagrożeń Środowiska

POMIARY POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

OD STACJI BAZOWYCH GSM

W ŚWIETLE POLSKICH PRZEPISÓW OCHRONNYCH

W niniejszej pracy przedstawiono przegląd polskich przepisów ochronnych pod kątem

telefonii komórkowej, zidentyfikowano potrzeby pomiarowe i zaprezentowano
zweryfikowaną praktycznie metodologię pomiarów oraz oceny ekspozycji na PEM stacji
bazowych GSM.

EMF MEASUREMENTS OF GSM BASE STATIONS

IN REFERENCE TO POLISH PROTECTIVE STANDARDS

A review of polish protective standards in the frame of mobile communication was

presented in the paper. The measure needs were identified. The methodology of
measurements and evaluations of the GSM base station EMF radiation was outlined.

1. WSTĘP

Ochrona przed promieniowaniem elektromagnetycznym ma w Polsce ponad 30-to letnią

tradycję (pierwsze akty prawne dotyczące ochrony przed PEM datuje się na początek lat 70-

tych). W okresie tym zmieniały się poglądy na istotność oddziaływania PEM na materię

ożywioną a ochronę przed oddziaływaniem PEM rozciągano na coraz szerszy zakres

częstotliwości. Pociągało to za sobą zmianę przepisów ochronnych i to zarówno od strony

czysto technicznej jak i filozofii ochrony przed nadmiernym opromieniowaniem PEM.

Nabierało to szczególnego znaczenia w świetle rozwoju techniki wykorzystującej energię

elektromagnetyczną. Najlepszym tego przykładem jest telefonia komórkowa, której to w

dużej mierze zawdzięczamy sprowadzenie źródeł PEM „pod strzechy”, a właściwie – w

kontekście stacji bazowych – „ponad strzechy”.

2. BUDOWA STACJI BAZOWEJ

Zadaniem stacji bazowych w systemie GSM jest komunikacja pomiędzy terminalami

ruchomymi (abonenci) a resztą systemu.

Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ

_________________________________________________________________________________

176

Stacja bazowa zawiera wszystkie elementy niezbędne do realizacji interfejsu radiowego w

paśmie 900 i 1800 MHz oraz (jeżeli zachodzi taka potrzeba) linie radiowe w zakresie

mikrofal (zwykle 18 – 38 GHz). Źródłami PEM mogą być zespoły nadajników, fidery oraz

anteny nadawcze. Obecnie typowe stacje bazowe GSM są stacjami dwupasmowymi (GSM

900/1800) z antenami sektorowymi (2-4 sektory) z jednym do czterech kanałów radiowych na

sektor. Moce nadajników zawierają się w zakresie 10-30 W na każdy kanał i sektor.

Stosowane anteny mają zysk około 15-18 dBi (zysk odniesiony do anteny izotropowej), co

daje zastępczą moc promieniowaną izotropowo (EIRP) rzędu 400 – 8000 W na sektor.

Jednocześnie warto zauważyć, że przy tak dużym zysku kierunkowym praktycznie cała

energia skupiona jest w wiązce głównej anteny, ale w jej bezpośrednim otoczeniu należy

liczyć się z możliwością występowania listków bocznych (promieniowanie wsteczne o

wartościach mierzalnych praktycznie nie występuje). W przypadku anten radiolinii EIRP przy

mocy nadajnika do części wata osiąga wartości do kilku kilowatów ze względu na zysk anten

parabolicznych rzędu 40-45 dBi. Napisane powyżej dotyczy danych znamionowych stacji. Ze

względu na specyfikę systemu, chwilowa moc stacji zależy od:

- ilości zajętych szczelin czasowych (od 1- kanał informacyjny- do 8),

- mocy nadajnika w danej szczelinie zależnej od warunków połączenia,

- charakteru prowadzonej rozmowy (stosunek „nadawania do odbioru”).

W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że chwilowa moc stacji w sektorze zmienia się w

zakresie od 1/8 mocy znamionowej do mocy znamionowej. Jest to jednak przybliżenie bardzo

grube. Margines błędu można zmniejszyć korzystając ze statystycznych informacji na temat

aktywności stacji bazowych. Wyniki takich badań opartych na długoterminowych pomiarach

PEM w otoczeniu stacji są dostępne w literaturze [1,2,3]. Można również wykorzystać dane

statystyczne operatorów dotyczące aktywności stacji, z tym że w tych danych nie uwzględnia

się zwykle mocy chwilowej przy danym połączeniu, ale obraz aktywności stacji jest jak

najbardziej poprawny. Analiza powyższych danych pozwala zauważyć dobową aktywność

stacji bazowej. Dla typowej stacji uzyskuje się stałą zajętość na poziomie rzędu 30-50%

pojemności w godzinach między 6-8 a 20-21. Poza tym okresem obciążenie stacji spada do

kilku procent. Od tego schematu odbiegają stacje bazowe obsługujące specyficzne miejsca,

np. wielkie targowiska, giełdy towarowe itp. gdzie szczyt aktywności przypada w godzinach

największego ruchu w tych miejscach. Często są to godziny nocne lub wczesny poranek. Inną

kategorią są stacje w obszarach o sezonowej zmienności ruchu, a więc w miejscowościach

turystycznych, na stokach narciarskich czy jeziorach. Powyższe tendencje potwierdzają

również krajowi operatorzy GSM. Prawidłowe rozpoznanie charakteru stacji bazowej

pozwala na wybór właściwej pory wykonywania pomiarów, kiedy stacja pracuje w swoich

typowych warunkach eksploatacyjnych i uzyskane wyniki pomiarów będzie można przyjąć za

reprezentatywne dla danej stacji.

Pomiary pola elektromagnetycznego od stacji bazowych GSM ...

_________________________________________________________________________________

177

3. PRZEGLĄD PRZEPISÓW OCHRONNYCH

W Polsce obowiązują niezależne przepisy ochronne związane z narażeniem na pola

elektromagnetyczne dotyczące ochrony środowiska i bezpieczeństwa i higieny pracy. Te

pierwsze reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie dopuszczalnych

poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania

tych poziomów z 30 października 2003 [4]. Dla zakresu częstotliwości używanego w GSM

ustalono dopuszczalną wartość natężenia pola elektrycznego na poziomie 7 V/m lub

alternatywnie gęstość mocy mikrofalowej na 0.1 W/m

2

. Opis zasad wykonywania pomiarów

wokół stacji bazowych jest bardzo lakoniczny i pozostawia dużą swobodę w ustalaniu miejsc

wykonywania pomiarów. Jest to jak najbardziej uzasadnione, ponieważ stacje bazowe

instalowane są w najróżniejszych miejscach i w różnych konfiguracjach od wież antenowych

poczynając, przez dachy budynków, na antenach mikrokomórek umieszczonych w

pomieszczeniach kończąc. Analiza danych z pomiarów pozwala stwierdzić, że najmniej

uciążliwe dla środowiska są te stacje, których anteny instalowane są na specjalnie

zbudowanych wieżach. Na drugim biegunie są stacje instalowane na dachach budynków,

zwłaszcza mieszkalnych. Można tu jednak przedstawić przykłady lepszych i gorszych

instalacji. Optymalnym jest instalowanie anten na krawędziach dachu z antenami nadawczymi

skierowanymi na zewnątrz budynku. Gorszym rozwiązaniem bywa umieszczenie anten na

nadbudówkach dachu w taki sposób, że główna wiązka promieniowania anten ślizga się

wzdłuż dachu. W sytuacjach takich zdarza się, że na dachu występują miejsca gdzie natężenie

PEM osiąga wartości dopuszczalne. Anteny mikrokomórek zasilane obniżoną mocą nie

stanowią z reguły problemu, pod warunkiem, że są zawieszone co najmniej 3 m nad

poziomem podłogi. Napisane powyżej dotyczy anten rozsiewczych. Do pominięcia jest

wpływ na środowisko anten radiolinii współpracujących ze stacjami bazowymi, jeżeli tylko są

zawieszone powyżej 2 m nad podłożem.

Przepisy dotyczące ochrony pracy w polach elektromagnetycznych zawarte są w

Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29. 11. 2002 r. w sprawie

dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [5]

oraz związanych z nim Polskich Normach [6]. W zakresie częstotliwości pracy systemu GSM

parametrem PEM podlegającym ocenie jest natężenie składowej elektrycznej E i

magnetycznej H (nie dotyczy radiolinii o f > 3GHz) oraz doza i wskaźnik ekspozycji

wyznaczane na podstawie E i H i czasu przebywania pracownika w danym miejscu. Stacje

bazowe są z zasady systemami bezobsługowymi i obsługa przebywa na nich tylko

sporadyczne, co czyni trudnym dokładne określenie ekspozycji pracowników na pola

elektromagnetyczne.

Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ

_________________________________________________________________________________

178

4. POMIARY PEM OD STACJI BAZOWYCH DLA CELÓW OCHRONY

ŚRODOWISKA

Zasady pomiarów PEM określają cytowane wcześniej Rozporządzenia i Normy. Pomiary

dla celów ochrony środowiska wykonuje się w miejscach dostępnych dla osób postronnych.

Do pomiarów wykorzystuje się typowe mierniki z sondami szerokopasmowymi przeznaczone

do pomiaru w strefie bliskiej źródła. Powszechnie stosowane są w tym zakresie sondy z

antenami dipolowymi i detektorem diodowym do pomiaru składowej elektrycznej PEM.

Również sondy gęstości mocy zwykle są czułe na składową elektryczną, a gęstość mocy

wyznaczana jest na podstawie przeliczenia według zależności dla pola dalekiego. Pomiar

wykonany w warunkach statystycznie największej aktywności stacji można bezpośrednio

uznać za zgodny z wymogami Rozporządzenia [4].

5. POMIARY PEM I OCENA EKSPOZYCJI W ŚRODOWISKU PRACY

Do prawidłowej oceny ekspozycji na pola elektromagnetyczne pod kątem ochrony pracy

w myśl Rozporządzenia [5] niezbędne jest dla zakresu częstotliwości do 3 GHz, a więc w

paśmie pracy systemu GSM, wyznaczenie natężenia składowej E i H PEM.

10

17

16

15

14

13

1

1

9

7

8

6

5

4

1

2

1

3

2

1

Antena K 7

3

8

819 - najw. wymiar 1,30 m 940 MHz

ant na wys. 3,55 m

Pion pomiarowy

Kierunek maksymalnego

zasięgu

p

romieniowania

Rys. 1. Pomiary anteny GSM typu K 738819

Fig. 1. Measurement setup of GSM antenna type K 738819

Pomiary pola elektromagnetycznego od stacji bazowych GSM ...

_________________________________________________________________________________

179

O ile pomiar składowej elektrycznej nie budzi zastrzeżeń, to sens i możliwości pomiaru

składowej magnetycznej dla tak wysokich częstotliwości stoją pod znakiem zapytania. Są ku

temu co najmniej dwa powody. Po pierwsze już dla częstotliwości powyżej kilkunastu MHz

praktycznie nie występują źródła „magnetyczne”, a po drugie brak jest na rynku sond

pomiarowych pola H na pasmo powyżej 1 GHz. Wynika to z trudności technicznych

związanych z wykonaniem czujnika pola magnetycznego o odpowiedniej czułości przy

wystarczającej separacji dla składowej elektrycznej i nadającego się do pracy w warunkach

pomiarów kontrolnych. W pracy [7] zasygnalizowano możliwość wyznaczania w systemach

radiokomunikacyjnych składowej H na podstawie pomiaru składowej E i zależności słusznej

dla pola dalekiego już w odległości od źródła niewiele większej od największego wymiaru

geometrycznego anteny.

.

Rys. 2. Pomiary anteny GSM typu K 739 632

Fig. 2. Measurement setup of GSM antenna type K 739 632

W celu weryfikacji tej hipotezy przeprowadzono szereg pomiarów laboratoryjnych oraz

terenowych z wykorzystaniem rzeczywistych anten GSM. Na rys.1 i 2 przedstawiono

przykładowe pomiary PEM w otoczeniu dwóch anten GSM 900MHz (źródło: badania

własne). Punkty pomiarowe dobierano w różnej odległości od anteny i na różnych kierunkach

względem osi anteny. Uzyskane wyniki zebrano odpowiednio w tabeli 1 i 2.

5

6

7

8

9

1

2

3

4

Kierunek maksymalnego

zasięgu Promieniowania

Pion pomiarowy

Antena K 739 632 - najw. wymiar 1,30 m

940 MHz

pomiary w odległości 0,9 m – 1,3 m od anteny

Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ

_________________________________________________________________________________

180

Tabela 1

Zestawienie wyników pomiarów anteny K 738 819

Nr pionu

pomiarowego

Rys. 1

Odległość

od masztu z

anteną [m]

Wys.

Pkt.pomiaro

wego [m]

[V/m] [A/m]

impedancja E/H

[

Ω]

1

1,5

2

15,8

0,036

438

2

2

2

11,2

0,027

415

3

3

2

6,5

0,018

361

4 4

2

8,9 0,022 404

5

1,5

2

19,5

0,043

453

6

2

2

13,7

0,032

428

7

3

2

9,5

0,024

395

8

4

2

8,9

0,025

356

9

5

2

8,2

0,023

357

10 6 2 9,5 0,026

365

11

1,5

2

12,5

0,029

431

12

2

2

8,5

0,021

405

13

3

2

7,1

0,017

418

14

4

2

4,0

0,011

364

15 10 2 7,3 0,021

348

16 14 2 8,9 0,023

387

17 18 2 6,7 0,017

394

Tabela 2

Zestawienie wyników pomiarów anteny K 739 632

Nr pionu

pomiarowego

rys.3

Odległość od

anteny

w [m]

[V/m] [A/m]

Impedancja E/H

[

Ω]

1 0,9

26,1

0,057 458

2

1,0

21,9

0,042

521

3

1,1

18,3

0,038

482

4

,3

11,0

0,024

458

5 0,9

30,4

0,060 507

6 1,0

27,4

0,053 517

7 1,1

19,1

0,043 444

8 1,2

17,3

0,039 444

9 1,3

12,2

0,032 413

Uzyskane wyniki pomiarów w pełni potwierdzają możliwość wyznaczania składowej H

na podstawie pomiarów składowej E. Przyjmując bardzo optymistycznie, że błąd popełniany

przy pomiarze każdej ze składowych nie przekroczył 1dB, wyznaczona impedancja

odpowiada impedancji swobodnej przestrzeni Z

0

=120

π. Znacznie ciekawsza jest analiza

zmian wyznaczonej impedancji w funkcji odległości od anteny. Im punkt pomiarowy

znajdował się bliżej anteny, tym stosunek E/H był większy, co potwierdza napisane

wcześniej, że w tym zakresie częstotliwości dominują źródła „elektryczne”. Ma to jeszcze

jedną konsekwencję: przyjmując do oceny ekspozycji na PEM wartość składowej H na

podstawie pomiaru E co najwyżej zawyża się wartość tej pierwszej. Skutkuje to popełnieniem

błędu dodatniego, co jest zgodne z ogólnymi wytycznymi przy pomiarach ochronnych.

Napisane powyżej pozwala przyjąć uproszczony sposób wyznaczania wskaźnika ekspozycji:

E

H

E

W

W

W

W

2

=

+

=

.

(1)

Pomiary pola elektromagnetycznego od stacji bazowych GSM ...

_________________________________________________________________________________

181

Otwartą kwestią pozostaje jednakże formalne wyznaczenie ekspozycji pracowników na

pola elektromagnetyczne stacji bazowych GSM. Zgodnie z informacjami operatorów (oraz

doświadczeniem autorów) pracownicy przebywają na stacji sporadycznie i praktycznie nie

można określić wszystkich parametrów wymaganych do wyznaczenia ekspozycji. Wyniki

pomiarów wyraźnie wskazują, że pola o natężeniach odpowiadających zasięgowi stref

ochronnych występują jedynie w bezpośrednim otoczeniu anten, a zwłaszcza na platformach

wież antenowych. W tabeli 3 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów na wieży

antenowej (źródło: badania własne). Z zestawienia wynika, że nawet na platformie wieży

występują znaczne zmiany natężenia pola i praktycznie niemożliwe jest wyznaczenie

wskaźnika zgodnie z normą [6], ponieważ nie można w sposób jednoznaczny określić pozycji

pracownika i czasu przebywania w danym miejscu (o ile procedury zezwalają na wejście na

platformę antenową w czasie pracy stacji). W takich przypadkach bardziej uzasadnionym niż

sztuczne wyznaczanie wskaźnika W wydaje się być określenie dopuszczalnego czasu

przebywania na platformie dla „najgorszego przypadku”, to znaczy biorąc za podstawę

najwyższe zmierzone natężenie pola i W=1. Dla zakresu częstotliwości GSM wyznaczenie

czasu t

max

można oprzeć na następującej zależności:

[h]

1600

2

max

max

E

t

=

.

(2)

Tabela 3

Zestawienie wyników pomiarów na platformie wieży antenowej

punkt

pomiarowy

Natężenie

pola

elektrycznego

[V/m]

Natężenie

pola

magnetyczneg

[A/m]

(wyznaczone)

1

5,5 0,015

2

8,5 0,023

3

5,5 0,015

4

23,0 0,061

5

64,5 0,171

6

90 0,239

7

91 0,242

8

16 0,043

9

5,5 0,015

10

5,5 0,015

11

< 3

< 0.008

12

< 3

< 0.008

13

5,5 0,015

14

8 0,021

15

8 0,021

16

8 0,021

17

7 0,019

ant.GSM

ant.GSM

ant.GSM

ant.GSM

ant.GSM

ant.GSM

ant.MW

ant.MW

ant.MW

ant.MW

100st

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ

_________________________________________________________________________________

182

6. PODSUMOWANIE

W pracy przedstawiono zasady pomiarów stacji bazowych GSM pod kątem ochrony

środowiska i bezpieczeństwa pracy. Wykazano, na podstawie badań własnych możliwość

wyznaczania ekspozycji na podstawie pomiaru tylko jednej składowej pola i przedstawiono

propozycję oceny narażenia na PEM w otoczeniu anten GSM. Przedstawione w pracy wyniki

są tylko wycinkiem badań przeprowadzonych przez autorów w zakresie pomiarów PEM.

7. LITERATURA

1. Monica Grollo, Wayne A Cornelius Michael J Bangay, Elizabeth E Essex: Radiofrequency

Radiation Emissions from Mobile Telephone Base Station Communication Towers,
Biomedicial Research in the 3rd Millennium, 1999

2. R. Zemach, J. Gavan, S. Levi: Stochastic Processes in Radiation Emisions of Cellular Base

Station, URSI 2002, MECC, Maastricht

3. G J Hyland: How Exposure to GSM & TETRA Base-station Radiation can Adversely

Affect Humans, 2002

4. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie

dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów
sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz.U. Nr 192, poz. 1883)

5. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29.11.2002 r w sprawie

dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
Dz. U. nr 217 z dnia 18.12.2002 r. poz.1833)

6. PN-T-06580-1, PN-T-06580-3: Metody pomiaru i oceny natężenia pola na stanowisku

pracy.

7. P. Bieńkowski: Pole elektromagnetyczne-rzeczywistość metrologiczna w świetle

obowiązujących norm i przepisów ochronnych, KKRRiT’2002, Gdańsk 2002

ABSTRACT

Poland has a 30 years old history of protection against electromagnetic field (first protection

law regulations were created in early Seventies). During this period the views on the EMF

influence on organisms changed several times and the protection covered larger and larger

frequency ranges. Consequently, the protection regulations were changed including both

technical standards and the whole philosophy of protection against excessive EMF radiation.

The changes in protection standards had a great influence on the development of technologies

that use electromagnetic energy. In cellular telephony, for example, the EMF sources were

brought “under the roofs”, or in fact – in case of the base stations – “above the roof”. In the

following paper, the author discussed Polish protection standards that apply to cellular

telephony, identified measurement needs, and presented a measurement methodology, as well

as the evaluation of the exposure to EMF emitted by base stations. The presented theses were

verified with measurements of EMF around base stations (fig 1-2 and tab. 1-3).