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).