POMIARY POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO OD STACJI BAZOWYCH GSM W ŚWIETLE POLSKICH PRZEPISÓW OCHRONNYCH

Transkrypt

1 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.

2 176 Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ 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 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 W na każdy kanał i sektor. Stosowane anteny mają zysk około dbi (zysk odniesiony do anteny izotropowej), co daje zastępczą moc promieniowaną izotropowo (EIRP) rzędu 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 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 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.

3 Pomiary pola elektromagnetycznego od stacji bazowych GSM 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 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.

4 178 Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ 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. Antena K najw. wymiar 1,30 m 940 MHz ant na wys. 3,55 m Kierunek maksymalnego zasięgu p romieniowania 2 7 Pion pomiarowy Rys. 1. Pomiary anteny GSM typu K Fig. 1. Measurement setup of GSM antenna type K

5 Pomiary pola elektromagnetycznego od stacji bazowych GSM 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. Antena K najw. wymiar 1,30 m 940 MHz pomiary w odległości 0,9 m 1,3 m od anteny Kierunek maksymalnego zasięgu Promieniowania Pion pomiarowy Rys. 2. Pomiary anteny GSM typu K Fig. 2. Measurement setup of GSM antenna type K 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.

6 180 Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ Zestawienie wyników pomiarów anteny K Tabela 1 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, ,2 0, ,5 0, ,9 0, ,5 2 19,5 0, ,7 0, ,5 0, ,9 0, ,2 0, ,5 0, ,5 2 12,5 0, ,5 0, ,1 0, ,0 0, ,3 0, ,9 0, ,7 0, Zestawienie wyników pomiarów anteny K Tabela 2 Nr pionu pomiarowego rys.3 Odległość od anteny w [m] [V/m] [A/m] Impedancja E/H [Ω] 1 0,9 26,1 0, ,0 21,9 0, ,1 18,3 0, ,3 11,0 0, ,9 30,4 0, ,0 27,4 0, ,1 19,1 0, ,2 17,3 0, ,3 12,2 0, 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 =120π. 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: W = W + W = 2W. (1) E H E

7 Pomiary pola elektromagnetycznego od stacji bazowych GSM 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: 1600 t max = [h]. (2) 2 E max Zestawienie wyników pomiarów na platformie wieży antenowej Tabela 3 punkt pomiarowy Natężenie pola elektrycznego [V/m] Natężenie pola magnetyczneg [A/m] (wyznaczone) 1 5,5 0, ,5 0, ,5 0, ,0 0, ,5 0, , , , ,5 0, ,5 0, < 3 < < 3 < ,5 0, , , , ,019 ant.mw ant.mw 2 1 ant.mw 100st ant.mw

8 182 Paweł BIEŃKOWSKI, Wiesław FLAKIEWICZ 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, 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, 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 r w sprawie dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. Dz. U. nr 217 z dnia r. poz.1833) 6. PN-T , PN-T : 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).