Monitoring pól elektromagnetycznych w obszarach miejskich

Transkrypt

1 Paweł Bieńkowski Politechika Wrocławska, Istytut Telekomuikacji, Teleiformatyki i Akustyki Moitorig pól elektromagetyczych w obszarach miejskich Streszczeie. Artykuł prezetuje zagadieia związae z moitorigiem atężeia pola elektromagetyczego. Przedstawioo metodykę i wyiki pomiarów atężeia pola od adajików radiodyfuzyjych i pomiary aktywości stacji bazowych GSM i UMTS Abstract. Article presets specific problems of the EMF moitorig i urbaized areas. The methodology ad results of measuremets of EMF itesity from broadcastig trasmitters ad measuremets of activity of GSM ad UMTS base statio are preseted (Moitorig of electromagetic field i the urbaized areas) Słowa kluczowe: ochroa środowiska elektromagetyczego, GSM, UMTS, aktywość stacji bazowych Keywords: electromagetic eviromet protectio, GSM, UMTS, base statio activity Wstęp Ostatie dziesięciolecie to okres dyamiczego rozwoju systemów radiokomuikacyjych, zwłaszcza systemów radiokomuikacji ruchowej. Specyfika tych systemów powoduje zacze zagęszczeie adajików, szczególie a obszarach wysoko zurbaizowaych. średia odległość między stacjami bazowymi GSM jedego operatora w miastach ie przekracza km, a dla uruchamiaej właśie sieci UMTS odległość ta będzie miejsza od km. W efekcie w dużych miastach całkowita liczba stacji bazowych może wyieść kilkaset. Trochę iaczej wygląda sytuacja w przypadku systemów radiodyfuzyjych (radiofoia, telewizja). Duże cetra radiodyfuzyje są lokalizowae z reguły poza miastami, ale rozwój małych lokalych stacji radiowych i telewizyjych spowodował pojawieie się adajików w cetrach miast. Należy jedak zauważyć, że po okresie gwałtowego rozkwitu w latach 90-tych, kiedy adajiki lokalizowae były faktyczie w miastach, obecie lokali adawcy rówież przeoszą się do dużych cetrów adawczych. Mimo tego praktyczie każde większe miasto ma swoje cetrum adawcze zwykle jest to jede z wyższych puktów w mieście (p. PKiN w Warszawie czy Poltegor we Wrocławiu). Dodatkowo a obszarach miejskich występuje ogrome zagęszczeie źródeł pola elektromagetyczego (PEM) bardzo małej mocy. Należą do ich między iymi bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN), systemy moitorigu radiowego, oraz wszelkiego rodzaju czujiki wykorzystujące fale radiowe (mikrofalowe czujki ruchu, systemy kotroli dostępu itp.) Całości dopełiają urządzeia przemysłowe, medycze i gospodarstwa domowego. Wyikiem pracy wszystkich opisaych źródeł jest wzrost średiego atężeia pola elektromagetyczego w miastach. Zjawisko to popularie określa się miaem smogu elektromagetyczego i jest oo przedmiotem zaiteresowaia, z co ajmiej dwóch powodów. Podejście czysto techicze - plaowaie sieci, badaia propagacyje czy zakłóceia między- i wewątrzsystemowe. Druga płaszczyza zaiteresowań to zagadieia związae z ochroą przed polami elektromagetyczymi i oddziaływaiem PEM a orgaizmy żywe. Mimo tego, że poziomy tła elektromagetyczego w miastach są zaczie poiżej wartości dopuszczalych dla środowiska (awet w Polsce kraju stosukowo ostrych przepisów ochroych), to jedak ich szacowaie, pomiary kieruku zmia czy rozkład w czasie i przestrzei wymaga szeroko zakrojoych badań.. Metodyka ocey pól elektromagetyczych w środowisku Aalizę pól elektromagetyczych w środowisku moża prowadzić a wiele sposobów. Jedym z ich jest szacowaie rozkładów PEM pochodzących od rozpatrywaych źródeł. Możemy tu wyróżić aalizy propagacyje wykoywae główie pod kątem plaowaia systemów radiokomuikacyjych oraz obliczeia związae z wyzaczeiem obszarów podwyższoego atężeia pola w bezpośredim otoczeiu źródeł (p. w celu sprawdzeia czy w miejscach dostępych dla ludzi ie występują PEM o wartościach większych od dopuszczalych []). W obu przypadkach stosuje się róże metody pozwalające a osiągiecie wymagaej dokładości. Aalizy teoretycze są jedyą możliwością ocey PEM a etapie plaowaia iwestycji. Po uruchomieiu systemów oceę PEM prowadzi się a podstawie pomiarów. W tym przypadku także moża stosować róże metody: - Pomiary selektywe stosowae główie w przypadku pomiarów propagacyjych i ocey parametrów sygału od jedego źródła. Pomiar realizuje się typowo z wykorzystaiem atey dołączoej do selektywego odbiorika pomiarowego. Wyik pomiaru wyzacza się a podstawie zależości (): E[V / m] = A f [ / m] U [V ]. () E[ dbµ V / m ] = A [ db / m] + U [ dbµ V ] gdzie: E atężeie pola, A f - współczyik ateowy (atea factor), U - apięcie wskazywae przez odbiorik pomiarowy - Pomiary szerokopasmowe stosowae powszechie w pomiarach związaych z ochroą przed polami elektromagetyczymi. Wykorzystuje się w tego typu pomiarach mieriki szerokopasmowe umożliwiające wykoywaie pomiarów w bezpośredim otoczeiu źródeł PEM (zarówo pierwotych jak i wtórych). Wyikiem pomiaru jest wypadkowe atężeie pola z całego pasma pomiarowego sody. Dla zakresu atężeń PEM, w których sody pomiarowe zapewiają detekcję wartości skuteczej (RMS) i dla płaskiej charakterystyki częstotliwościowej sody pomiarowej odpowiedź sody wyraża się zależością (): () E = E. w f gdzie E jest atężeiem pola składowej Waruek pomiaru wartości skuteczej jest dla większości dostępych mierików zwykle spełioy w zakresie atężeń PEM spotykaych w pomiarach dla celów ochroy środowiska. Wadą tego typu mierików jest stosukowo mała czułość rzędu 0,5 - V/m.

2 - Pomiary szerokopasmowe mierikiem selektywym pozwalają połączyć zalety dwu poprzedich metod: dużą czułość pomiarów selektywych i możliwość wyzaczeia wypadkowego atężeia pola charakterystyczego dla pomiarów szerokopasmowych. Wypadkowe atężeie pola wyzacza się a podstawie pojedyczych pomiarów selektywych korzystając z zależości (3): (3) E = ( A U ). w gdzie A f - współczyik ateowy dla częstotliwości odpowiadającej -temu przedziałowi pomiarowemu. Niezależie od pomiaru składowych częstotliwościowych, ależy pamiętać o składowych przestrzeych pola. W polu dalekim, dla sygałów o polaryzacji liiowej występuje tylko jeda składowa pole E, ale w przypadku pomiarów pól pochodzących od różych źródeł iezbędy jest pomiar w trzech płaszczyzach lub wyszukiwaie w przestrzei maksymalego wskazaia dla każdego sygału. Mieriki szerokopasmowe mają zwykle sody izotropowe, w przypadku mierików selektywych z ateami kierukowymi wypadkowe atężeie pola w przestrzei wyzaczyć a podstawie pomiaru poszczególych składowych i zależości (4): (4) E = E + E + E. w( x,y,z ) Przy wyborze rodzaju pomiaru koiecze jest rówież uwzględieie ograiczeń w stosowaiu poszczególych metod. Dotyczy to zwłaszcza używaia mierików z ateami rezoasowymi. Mimo tego, że zwykle pomiary środowiskowe wykouje się w strefie dalekiej źródła pierwotego, to ie moża zapomiać o otoczeiu atey pomiarowej. Wszystkie elemety przewodzące (a zwłaszcza o rozmiarach rezoasowych) mogą stać się wtórymi źródłami pola albo mogą sprzęgać się z ateą, co zmiei jej parametry p. charakterystykę promieiowaia lub impedacje, a tym samym stopień dopasowaia do odbiorika i współczyik ateowy, co bezpośredio wpływa a wyik pomiaru. Niestety w literaturze moża zaleźć przykłady bezkrytyczego stosowaia takich ate p. wewątrz pomieszczeń biurowych czy mieszkalych lub do pomiarów w bezpośredim otoczeiu źródła. Iym aspektem związaym z pomiarami PEM jest cel wykoywaia pomiarów. Pomiary ochroe wykouje się w miejscach określoych w Rozporządzeiu [] typowo jest to obszar, w którym spodziewamy się poziomów PEM o wartościach zbliżoych do dopuszczalych. W przypadku moitorigu środowiska sytuacja jest bardziej skomplikowaa. Należy tak wybrać pukty i procedury pomiarowe, aby uzyskae wyiki były reprezetatywe przy zoptymalizowaym akładzie pracy. Ułatwić to mogą aalizy i wyiki pomiarów przedstawioe w astępych rozdziałach pracy. Pomiary atężeia PEM od adajików radiodyfuzyjych Pomiary od adajików radiodyfuzyjych przeprowadzoo pod kątem moitorigu środowiska a tereach miejskich. Celem pomiarów było zbadaie zmia atężeia pola w zależości od położeia puktu pomiarowego. Wybrao cztery pukty a tereie otwartym (a obrzeżach miasta) oraz jede pukt w stosukowo x y f z gęstej zabudowie w cetrum miasta. Do selektywych pomiarów PEM wybrao po jedej stacji radiowej adającej z różych miejsc poza miastem (pierwsza grupa pomiarów) i zlokalizowaych a tereie miasta (druga grupa) Pomiary wykoywao mierikiem selektywym ze strojoą ateą dipolową. Polaryzacja atey była dopasowaa do polaryzacji ate adawczych, a w przypadku polaryzacji poziomej jako wyik przyjmowao wartość maksymalą uzyskaą przy pełym obrocie atey w płaszczyźie azymutu. Wyiki pomiarów przedstawioo w Tabeli dla adajików z poza obszaru miasta i Tabeli dla adajików zlokalizowaych a tereie miasta. Niepewość pomiarów została oszacowaa a 3dB. Wyiki pomiarów w Tabeli porówao z obliczoymi atężeiami pola. Do obliczeń przyjęto moc EIRP podawaą przez właściciela adajika oraz średią odległość od adajika określoą jako odległość między cetrum miasta a adajikiem. Przyjęto bardzo prosty model propagacji ITU-R r 370 [] Tabela. Selektywe pomiary PEM od adajików radiowych f d E (-4) [dbµv] E śr δ E Ryek E wyzacz [MHz] [km] 3 4 [dbµv] db [dbµv] [dbµv] 9, , , , , ,5 4 03, , Opis tabeli f - częstotliwość [MHz], d średia odległość od adajika [km], E (-4) atężeie pola w puktach pomiarowych a obrzeżach miasta [dbµv] Eśr uśredioe atężeie pola w puktach -4 [dbµv], d odchyleie stadardowe[db], E ryek atężeie pola w cetrum miasta [dbµv], E wyzacz obliczoe atężeie pola dla odległości d od adajika [dbµv], Tabela. Selektywe pomiary PEM od miejskich adajików radiowych f [MHz] 95, 99, 05, pukt pom E d E d E d [dbµv] [km] [dbµv] [km] [dbµv] [km] ,4 94 0,7 57 8,9 59 5,0 7 6, ,3 6 3,6 6 6, ,4 5 7,5 64 5,8 Ryek 77,9 66,5 76,8 Wyiki pomiarów moża ziterpretować astępująco: dla adajików położoych poza miastem dla celów moitorigu moża uzyskać reprezetatywe wyiki a podstawie pomiaru w jedym lub dwóch puktach w mieście (jede a tereie otwartym, drugi w gęstej zabudowie). Niepewość tak uzyskaych wyików moża oszacować a poziomie kilku db, co powio być wystarczające dla tego typu pomiarów. W przypadku stacji adających z tereu miasta reguła powyższa ie będzie obowiązywała zbyt duża jest względa zmiaa odległości od adajika przy zmiaie położeia puktów pomiarowych, co w efekcie skutkuje zaczie większym rozrzutem wyików pomiarów. Stacje bazowe telefoii komórkowej. O ile atężeia PEM pochodzącego od adajików radiodyfuzyjych moża uzać za stałe w czasie, to w przypadku stacji bazowych telefoii komórkowej ie jest to

3 prawdą. Z jedej stroy coraz większe zagęszczeie stacji bazowych a tereie miasta powoduje relatywie duże zmiay poziomu sygału przy iewielkich zmiaach położeia puktu pomiarowego, a z drugiej - chwilowa moc adajików zależy od obciążeia stacji (ilość prowadzoych rozmów) i położeia aboetów w obszarze obsługiwaym przez stacje (moc adajika dla daego połączeia). Zmiay atężeia PEM w otoczeiu stacji dobrze obrazuje poiższy eksperymet [3]. Przeprowadzoo selektywe pomiary poziomu sygału od stacji bazowej a kieruku maksymalego promieiowaia jedego z sektorów. Wybrao dość specyficzy przypadek: pomiar wzdłuż ulicy, przy której stoi stacja bazowa, ale trasa pomiędzy ateami stacji a puktami obserwacji jest urozmaicoa po drodze są dwa wiadukty kolejowe i dalej drzewa przesłaiające atey (rys.). Wyiki pomiarów zebrao w Tabeli 3 i przedstawioo a wykresie z rysuku. Jak wspomiao wcześiej, atężeie pola w otoczeiu stacji bazowych zależy ie tylko od odległości, ale także od mocy chwilowej adajika. W przypadku systemu GSM stosuek mocy miimalej do maksymalej może wyosić, zależie od kofiguracji stacji, od :8 dla pojedyczego kaału awet do :4, jeżeli a daym kieruku pracują cztery adajiki, a tylko w jedym kaale trasmitowaa jest szczelia techicza BCCH. Szczelia techicza pracuje zawsze z mocą maksymalą, szczeliy rozmówe z mocą zależą od waruków propagacji między stacją bazową a obsługiwaym aboetem. Na rysuku 3 przedstawioo pomiar chwilowego atężeia PEM od stacji bazowej. Widać, że początkowo pracuje tylko szczelia techicza i pojawiają się dwie szczeliy rozmówe adające ze zredukowaą mocą , 6 m s 4, 6 m s Rys.3. Sygał w dwóch kolejych ramkach stacji bazowej GSM Rys.. Widok a stację bazową z odległości 70 m. Atey sektorowe widocze między wiaduktami. Tabela 3. Pomiary poziomu sygału od stacji baowej GSM Pukt Odległość Poziom sygału pomiarowy [m] [dbm] Przesłaiaie ate 50-7 atey widocze 85-7 atey widocze wiadukt I wiadukt I atey widocze atey widocze wiadukt II wiadukt II, drzewa wiadukt II wiadukt II, drzewa wiadukt II, drzewa wiadukt II, drzewa drzewa drzewa drzewa drzewa drzewa P [dbm] d [m] Rys.. Wyiki pomiaru mocy sygału od stacji bazowej (liia ciągła pomiar, liia przerywaa wartość wyzaczoa teoretyczie) Aalizę aktywości stacji bazowych a podstawie statystyk połączeń przedstawioo między iymi w [4]. Statystyki takie z reguły ie uwzględiają rzeczywistej mocy adajika. W celu zbadaia rzeczywistych zmia atężeia PEM w otoczeiu stacji przeprowadzoo długotermiowy (ie miej iż 7 di dla każdego przypadku) moitorig atężeia PEM dla trzech stacji bazowych (a sektorach GSM 900) dwóch śródmiejskich i jedej zlokalizowaej a obrzeżach miasta. Pomiary prowadzoo z wykorzystaiem zmodyfikowaej szerokopasmowej sody pola elektromagetyczego zaistalowaej w pobliżu moitorowaej atey, w taki sposób, aby zmiimalizować wpływ iych źródeł PEM. System pomiarowy został przewzorcoway w akredytowaym laboratorium LWiMP. Poieważ celem badań było uzyskaie iformacji o zmieości atężeia PEM w otoczeiu stacji, wyiki zostały uormowae względem wartości średiej lub miimalej zmierzoego PEM. W celu optymalizacji ilości zbieraych daych zbadao ajpierw krótkookresową zmieość atężeia pola w otoczeiu atey. Przykładowe wyiki przedstawioo a rysuku 4. Geeralie, w okresie ormalego ruchu, zmiay atężeia pola ie przekraczają 0% między kolejymi sekudowymi próbkami. Szersza aaliza pozwoliła a przyjęcie okresu próbkowaia rówego 30s (co przy tygodiowym okresie pomiarów daje poad 0 tys. próbek). W przypadku okresu bezruchu (oce) przyjęte 30-to sekudowe próbkowaie pozwala wychwycić awet pojedycze rozmowy (rysuek 5) E/E śr,,,0 0,9 0,7 0:00:00 czas 0:0:00 Rys.4. Krótkookresowa zmieość atężeia PEM w otoczeiu atey stacji bazowej GSM (pomiar między godzią 0:00 a 0:0, okres próbkowaia sekuda)

4 ,3 E/E mi,, 0:00:00 czas 03:00:00 Rys.5. Okres obiżoej aktywości stacji bazowej GSM w ocy (pomiar między godzią 0:00 a 03:00, próbkowaie 30 sekud) Na rysuku 6 przedstawioo zebrae wyiki miesięczego moitorigu badaych stacji bazowych. W celu zachowaia czytelości, każdemu puktowi a wykresie odpowiada zmierzoa wartość maksymala z okresu 5 miut. Aaliza uzyskaych wyików pozwala a wyciagięcie astępujących wiosków: - typowe stacje bazowe charakteryzują się zmieą aktywością w ciągu doby w ocy (od ok. godz. 4 do 5) aktywość zaczie spada a awet zaika całkowicie (pracuje tylko szczelia techicza); - dziea aktywość rozpoczya się ok. godz. 8-0 i trwa do 8-. Dłuższy okres aktywości mają stacje obsługujące osiedla mieszkaiowe; - widoczy jest iewielki (o ok. 0-30%) spadek aktywości w weekedy. - stosuek miimalego (praca bez ruchu) do maksymalego zmierzoego atężeia PEM wyosi od :,5 do : (dla gęstości mocy od :,5 do :4). Wszystkie badae stacje miały od do 4 adajików a sektor. Uzyskae wyiki są zbieże z daymi z literatury zagraiczej [p. 5], autorowi ie są zae ie wyiki badań krajowych. Ostatie rezultaty pomiarów dotyczą moitorigu stacji bazowej UMTS. W systemie UMTS zaczie trudiej jest arbitralie określić pojemość stacji bazowej i zakres zmieości mocy, zwłaszcza, że układ dyamiczego sterowaia mocą jest jedym z kluczowych elemetów systemu UMTS. W omówieiu systemu [6] moża zaleźć zaleceia dotyczące mocy sygałów techiczych: pilota (CPICH) i sygałów sychroizacji (P-SCH i S-SCH). Całkowita moc tych sygałów kształtuje się a poziomie 7-0% pełej mocy adajika. Skutkuje to potecjalą zmiaą mocy adajika między : 5 do :5. Potwierdzają to badaia testowe w warukach laboratoryjych. Na rysuku 7 zobrazowao wyiki tygodiowego moitorigu jedej z wrocławskich stacji bazowych UMTS. Podobie jak w przypadku stacji GSM, widocza jest tu dobowa zmieość aktywości, ale przy dużo miejszym ruchu. Rówież w tym przypadku stosuek miimalego (praca bez ruchu) do maksymalego zmierzoego atężeia PEM ie przekracza :,7. Podsumowaie Przedstawioe w artykule aalizy i wyiki pomiarów mogą być przydate przy ustalaiu metodyki pomiarów związaych z moitorigiem i pomiarami ochroymi PEM. W przypadku pomiarów ochroych w otoczeiu stacji bazowych GSM moża wysuąć astępujący wiosek: pomiary ochroe prowadzoe w okresie statystyczie ajwiększego ruchu (z uwzględieiem charakteru stacji dla typowych stacji są to godziy -8) moża uzać za miarodaje i odpowiadające wymogowi pracy w warukach odpowiadających charakterystykom eksploatacyjym tych urządzeń według [, zał. p.9]. Statystyczie w tym okresie atężeie pola ie zmieia się więcej iż ±5% Dla pomiarów wykoywaych poza tym okresem moża przyjąć poprawkę pomiarową (zgodie z [, zał. p.6]) a poziomie.5 dla atężeia pola elektromagetyczego (,5 4 dla gęstości mocy). Wyiki dla stacji UMTS, ze względu a małą próbkę ależy uzać jedyie za sodażowe, ale awet a ich podstawie moża stwierdzić, że w momecie prowadzeia badań (jesień 006r) wykorzystaie pojemości systemu UMTS było jeszcze stosukowo iewielkie i typowe waruki pomiarów ochroych moża raczej przyjąć za zbliżoe do pracy stacji przy miimalym ruchu. W takiej sytuacji bezpieczym wydaje się przyjęcie poprawki pomiarowej a poziomie dla atężeia PEM lub 4 dla gęstości mocy. Wartość współczyika moża zmiejszyć, jeżeli istieją dowody a pracę stacji ze zwiększoym ruchem w momecie pomiarów. E/E mi Stacja r Stacja r Stac ja r 3,8,6,4, cz cz cz cz cz cz 0, dzie Rys.6. Wyiki pomiaru aktywość stacji bazowych GSM E/E mi,6,4, sobota iedziela poiedziałek wtorek środa czwartek piatek sobota : godz Rys.7. Wyiki pomiaru aktywość stacji bazowej UMTS

5 LITERATURA [] Rozporządzeie Miistra Środowiska z dia 30 paździerika 003 r. w sprawie dopuszczalych poziomów pól elektromagetyczych w środowisku oraz sposobów sprawdzaia dotrzymaia tych poziomów (Dz. U. Nr. 9/03,poz. 883) [] ITU-R Recommedatio P.370-7, VHF ad UHF Propagatio Curves for the Frequecy Rage from 30 MHz to 000 MHz. October 995 [3] Ł. Wiśiewski: Pola elektromagetycze w tereie zurbaizowaym, Praca dyplomowa iżyierska, Politechika Wrocławska 006 [4] P. Bieńkowski, W. Koszałkowski: Stacje bazowe GSM geeracji.5 - ochroa środowiska elektromagetyczego. Krajowa Koferecja Radiokomuikacji Radiofoii i Telewizji. KKRRiT 005. Kraków, 5-7 czerwca 005, s [5] R. Zemach, J. Gava, S. Levi; E. Ne'ma: Figerprits of Cellular Base Statio Radiatio Emissios ad Related Measured Street-Values Radiatio Desity, Biological Effects of EMFs d Iter. Workshop, Greece, 7- October 00 [6] M. Nawrocki, H. Aghvami, M. Dohler: Uderstadig UMTS Radio Network Modellig, Plaig ad Automated Optimisatio: Theory ad Practice, Wiley 006 Autor: dr iż. Paweł Bieńkowski, Politechika Wrocławska, Istytut Telekomuikacji, Teleiformatyki i Akustyki, Wybrzeże Wyspiańskiego 7, Wrocław, tel pawel.biekowski@pwr.wroc.pl