Badanie emisji elektromagnetycznej wybranych telefonów komórkowych The electromagnetic emission test of chosen cellular telephones Andrzej Wac-Włodarczyk, Paweł A. Mazurek, a.wac-wlodarczyk@pollub.pl, p.mazurek@pollub.pl Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii, Politechnika Lubelska Tobiasz Parys, Łukasz Ziętek, Michał Bernat, Grzegorz Masłowski Studenckie Koło Naukowe Elmecol, Politechnika Lubelska elmecol@pollub.pl Streszczenie Dynamiczny rozwój systemów telefonii komórkowej spowodował ogromny wzrost zainteresowania problematyką oddziaływania niejonizującego pola elektromagnetycznego na człowieka i środowisko, wytwarzanego przez urządzenia tych systemów. W artykule przedstawione zostaną podstawowe zagadnienia dotyczące działania systemu telefonii komórkowej oraz jej wpływu na otoczenie. W artykule zamieszczono wyniki badań emisji elektromagnetycznej aparatów telefonicznych, przeprowadzonych w Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej na Politechnice Lubelskiej. Abstract The dynamic expansion of the telephone GSM systems caused the huge growth of the interest the problems of the electromagnetic field influence on the environment. In the article were presented the basic questions of relating workings of telephone and GSM systems. The results of the investigations of the electromagnetic emission of few telephone were present too. Investigations were executed in the Electromagnetic Compatibility Laboratory at Technical University of Lublin. Słowa kluczowe: emisja elektromagnetyczna, kompatybilność elektromagnetyczna, telefony komórkowe Keywords: electromagnetic emission, electromagnetic compatibility, GSM phones. Wprowadzenie Gwałtowny rozwój technologii telekomunikacyjnych przekłada się na duże zainteresowanie łącznością bezprzewodową, w tym radiokomunikacją ruchową. Wtórnym efektem jest sytuacja, w której źródła pola elektromagnetycznego, jakimi są radiotelefony, znalazły się w powszechnym użyciu. Już kilkuletnie dzieci wykorzystują w zabawie walkie-talkie, służby
cywilne i mundurowe - profesjonalne radiotelefony do łączności wewnętrznej, a statystycznie co czwarty Polak nie rozstaje się z telefonem komórkowym. Zainteresowanie problematyką oddziaływania na człowieka i środowisko niejonizującego pola elektromagnetycznego (PEM) wytwarzanego przez tego typu urządzenia więc wzrasta [8,10]. Jest to zrozumiałe, ponieważ bierze się z troski ludzi o własne zdrowie; ma ono także racjonalne podstawy, ponieważ biologiczna aktywność pola PEM jest faktem od wielu lat. Pola elektromagnetyczne traktuje się jako czynnik nieobojętny dla organizmów żywych, wiele instytucji prowadzi szereg badań związanych z interakcjami pól i materii ożywionej. Metodykę badań uzależnia się od charakteru źródła pola, specyfiki oddziaływania czy oczekiwanych efektów. Ważne są również czynniki techniczne - bardzo kosztowna aparatura [1,2,5,7,9,11-13]. W niniejszej pracy poddano analizie radiotelefony (11 komórek) i odniesiono zmierzone wartości ich emisji do dopuszczalnych limitów. Telefonia komórkowa - system GSM Telefonia komórkowa jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin telekomunikacji. Ma ona zadanie przesyłania informacji do i od użytkowników, którzy są lub mogą być w ruchu. Pierwszy publiczny system telefonii komórkowej uruchomiono w Japonii w 1979 roku. Po dwóch latach system zawitał do Europy - oddano do komercyjnego użytku skandynawski Nordic Mobile Telephony (NMT 450). W 1983 roku dołączyły do nich amerykański Advanced Mobile Phone System (AMPS) i jego brytyjska odmiana Total Access Cellular System (TACS). W Polsce od 1992 roku działał system NMT 450 pod komercyjną nazwą Centertel. Wszystkie wymienione systemy, określane dzisiaj jako systemy pierwszej generacji (1G), były oparte na technice analogowej. Zakres świadczonych usług był mniejszy niż w publicznych sieciach stałych, a ich cena stosunkowo wysoka, co skutecznie odstraszało potencjalnych abonentów do systemów 1G. Rozbudzone i rosnące zapotrzebowanie na nowe i bardziej zaawansowane usługi, przyczyniły się do przyśpieszenia prac nad następną generacją systemów telefonii komórkowej - tym razem cyfrową. Obecnie mamy ponad 4 miliardy użytkowników komórek, na szacowane 6 miliardów ludzi ogółem na naszym globie. Dominującą rolę na globalnym rynku komórkowym odgrywa obecnie system GSM drugiej generacji. Istnieje także sieć trzeciej generacji (3G) o nazwie UMTS, która docelowo zastąpi sieć GSM, ale przez długi czas oba systemy będą wykorzystywane równolegle [1,2,7,11-13]. Telefonia komórkowa udostępnia w dowolnym miejscu i czasie znaczną ilość usług począwszy od przesyłania mowy i danych. Systemy radiokomunikacji komórkowej oparte są na podziale, objętej usługami powierzchni, na komórki (rys. 1).
Każda komórka wyposażona jest w stację bazową, odpowiedzialną za gromadzenie i aktualizację danych o użytkowniku oraz pośredniczenie w połączeniu użytkownika z wybranym abonentem tej samej sieci, innej sieci, bądź sieci publicznej. Do zapewnienia łączności na terenie jednej komórki stosuje się anteny dookólne lub sektorowe, natomiast do łączności między stacjami bazowymi anteny kierunkowe w większości przypadków paraboliczne. Podział terenu na komórki umożliwia zmniejszenie mocy nadajników i wielokrotne wykorzystanie tego samego zakresu częstotliwości [2,11,12,13]. Rysunek 1 prezentuje uproszczony schemat systemu GSM. Rys. 1. Uproszczony schemat systemu GSM [13] W telefonii komórkowej systemów pracujących w Polsce i w większości krajów świata obecnie wykorzystywane są, dla stacji bazowych, następujące pasma częstotliwości [2,6,7,11,12,13]: GSM 900 pracujące w zakresie częstotliwości 935 960 MHz, GSM 1800 pracujące w zakresie częstotliwości 1805 1880 MHz, UMTS pracujące w zakresie częstotliwości 1900 2200 MHz. Są to pasma radiowe z zakresu niejonizującego, zwanego mikrofalowym. Sygnał ma strukturę cyfrową z modulacją TDMA (ang. time division modulation acces). Moce nominalne nadajników są określone w normach międzynarodowych. Stosowane nadajniki mają następujące moce nominalne: dla pasma 900 MHz do 50 W, dla pasma 1800 MHz 35 W,
dla UMTS 40 W (2 20 W). W rzeczywistości moc doprowadzona do anteny jest pomniejszona o straty występujące w tzw. trakcie antenowym [13]. Ważnym parametrem opisującym specyfikę emitowanego pola elektromagnetycznego jest charakterystyka kierunkowa anteny (charakterystyka promieniowania). Od jej kształtu zależy, w którym kierunku zostanie skierowana większość energii emitowanego pola. Dopuszczalne wartości pól EM emitowanych w pasmach telefonii komórkowej W Polsce dopuszczalne wartości parametrów pól elektromagnetycznych dla pasma telefonii komórkowej reguluje ustawa Dz. U. Nr 192 z dn. 14.11.2003 r. poz. 1883. Wartości przedstawione w tabelach 1 i 2 są obecnie obowiązującymi limitami. Na podstawie tych wartości należy oceniać ewentualne przekroczenia norm przez operatorów sieci telefonicznej, bądź też producentów aparatów telefonicznych korzystających z dostępnych pasm przedzielonych dla sieci komórkowych. Istotne jest, że dla pasm wysokich częstotliwości jako jeden z parametrów podaje się gęstość mocy wyrażoną w watach na metr (W/m 2 ) natomiast nie określa się dopuszczalnego limitu składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego. Tab. 1. Dopuszczalne wartości parametrów pola elektromagnetycznego dla częstotliwości użytkowanych przez sieci telefonii komórkowej Zakres częstotliwości pola Składowa Składowa Gęstość mocy elektromagnetycznego elektryczna magnetyczna 300 MHz 300 GHz 7 V/m - 0,1 W/m 2 Tab. 2. Limity ekspozycji na PEM dla częstotliwości użytkowanych w systemach telefonii komórkowych. Przedstawione wartości to limit gęstości mocy wyrażony w W/m 2 [11,13] Kraj 900 MHz 1800 MHz 2100 MHz Belgia 1,125 2,25 2,625 Francja 4,5 9 10,5 Hiszpania 4,5 9 10,5 Japonia 6 12 100 Korea 4,5 9 10,5 Polska 0,1 0,1 0,1 Szwajcaria 0,01 0,02 0,016
Powyższe zestawienie wskazuje jak bardzo Polskie normy są restrykcyjne na tle innych państw. W odniesieniu do Japonii limit gęstości mocy jest 60 razy większy dla pasma 900MHz, a nawet 1000 razy większy dla pasma 2,1GHz. Z drugiej strony ustawy szwajcarskie nakładają jeszcze mniejsze poziomy emisji niż Polskie. SAR Każdy człowiek na Ziemi jest stale poddawany działaniu promieniowania elektromagnetycznego, zarówno naturalnemu jak i sztucznemu będącego wynikiem działalności człowieka (zamierzonej lub nie) [8-10]. Promieniowanie elektromagnetyczne w całym zakresie GSM jest promieniowaniem niejonizującym, co oznacza, że ma zbyt małą energię by spowodować jonizację cząstek będących podstawowym budulcem żywej materii. W odróżnieniu od promieniowania jonizującego pochłanianie promieniowania niejonizującego nie ma charakteru kumulacyjnego, jednak dawka pochłoniętego promieniowania niejonizującego może generować w obiekcie inne efekty o działaniu długotrwałym, np. nagrzewanie. Z biologicznego punktu widzenia ważne bez wątpienia jest to, co dzieje się w obiekcie oraz poznanie wartości energii wydzielanej w obiekcie. Efekty oddziaływania pola elektromagnetycznego nie są do końca poznane, wiele ośrodków naukowych na całym świecie zajmuje się tą problematyką od kilkudziesięciu lat, a uzyskiwane wyniku ciągle obarczone są dużą niepewnością [1-13]. Podstawowym parametrem opisującym procesy energetyczne w organizmach żywych pod wpływem przyłożonego pola elektromagnetycznego jest współczynnik pochłaniania właściwego SAR (specific absorption rate) [3,4,7]. W zakresie częstotliwości radiowych i mikrofalowych wartość współczynnika pochłaniania liczonego lokalnie zależy od kwadratu skutecznej wartości natężenia pola elektrycznego E w wybranym obszarze ciała człowieka. γe 2 SAR = ρ gdzie: γ to przewodność uogólniona materiału (tkanki), ρ jest gęstością masy, a E natężeniem pola elektrycznego. Średnia wartość współczynnika pochłaniania w wybranym obszarze ciała (tzw. average SAR lub whole-body SAR) opisuje całkowitą dawkę mocy pochłoniętej przez ciało absorbujące promieniowanie elektromagnetyczne, odniesioną do całkowitej masy ciała M.
Wyznaczenie współczynnika SAR wymaga wyznaczenia energii wydzielanej w obiekcie lub wyznaczenia natężenia pola elektrycznego E w obiekcie. SAR jest miarą pochłoniętej energii. Współczynnik ten w organizmach żywych zależy od parametrów padającej fali i parametrów obiektu. Stosowane są dwie wzajemnie uzupełniające się metody oceny narażenia związanego z ekspozycją ludzi na pole elektromagnetyczne pochodzące od urządzeń telefonii komórkowej; pomiary na fizycznych modelach człowieka - fantomach oraz symulacje komputerowe [3,4,7]. Metody te określa się, odpowiednio, jako dozymetrię eksperymentalną i dozymetrię numeryczną. Zaletą podejścia eksperymentalnego jest to, że umożliwia ono badanie rzeczywistych urządzeń. Wadą natomiast jest to, że fantomy materialne, są bardzo proste (homogeniczne) i nie odwzorowują silnie niejednorodnej budowy wewnętrznej ciała człowieka (np. zbudowane są ze specjalistycznego żelu, który niezbyt dokładnie odwzorowuje układy kości, warstwy mięśni, krew ) [3,4]. Lepiej wygląda natomiast modelowanie komputerowe. Istnieją precyzyjne, anatomiczne modele człowieka które wykorzystujemy w dozymetrii numerycznej, a w ich efekcie możliwe jest śledzenie rozkładu SAR w różnych częściach ciała i w różnych tkankach. Ideę dozymetrii eksperymentalnej w odniesieniu do doręcznych telefonów komórkowych poglądowo objaśnia rysunek 2, na którym pokazano część systemu pomiarowego do badania rozkładu pola i mocy pochłanianej na jednostkę masy w głowie użytkownika telefonu z wykorzystaniem fantomu [7]. Do fantomu wlewana jest znormalizowana ciecz - roztwór glikolu. Fantom jest poddawany odpowiedniej ekspozycji np. 900/1800, a poprzez zestaw czujników lub jeden umieszczony na ramieniu robota zbierana jest wartość natężenia pola w środku fantomu. Badanie narażeń powodowanych przez telefony komórkowe nie wymaga sporządzania modelu całego człowieka, lecz tylko najbardziej narażonych części jego ciała np. głowy. Normy europejskie bardzo dokładnie określają kształt i wymiary skorupy fantomu oraz parametry elektryczne płynu, którym należy tę skorupę wypełnić. System ten, opracowano w szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologicznym w Zurichu. Obecnie istnieje już kilka tego typu stanowisk pomiarowych w Polsce (rys. 2).
Rys. 2. Analiza SAR z wykorzystaniem fantomu (Centralne Laboratorium Badań Technicznych Urzędu Komunikacji Elektronicznej w Boruczy) Badania SAR producenci telefonów komórkowych realizują już od lat dziewięćdziesiątych zeszłego wieku. Obecnie obowiązek takich badań narzucają na producentów europejskich dyrektywy unijne i krajowe normy. Pod koniec roku 2009 Environmental Working Group - amerykańska organizacja zbierająca dane na temat środowiska oraz wpływu otaczającego nas świata na nasze zdrowie opublikowała raport, który przedstawił listę tysiąca komórek pogrupowanych według współczynnika SAR. Wybrane modele zaprezentowano na poniższym diagramie, z pozostałymi wynikami testów można się zapoznać na stronie http://www.ewg.org [6]. Rys.3. Wartości SAR dla wybranych modeli telefonów komórkowych [6]
Pomiary emisji elektromagnetycznej Pole elektromagnetyczne charakteryzuje szereg parametrów, które można poddawać analizie. Parametry te można umownie sklasyfikować w trzech grupach: widmo, amplituda i polaryzacja. Klasyczne pomiary promieniowania wykonuje się w zakresie częstotliwości od 30 MHz do kilkudziesięciu gigaherców, stosując miernik zakłóceń z detektorem wartości quasi-szczytowej lub średniej. Miernik zakłóceń powinien spełniać wymagania określone w publikacji CISPR 16. W zależności od relacji odległości, pomiary realizujemy w polu bliskim lub dalekim. Wymaga to wykorzystania różnych dodatkowych akcesoriów pomiarowych. W przypadku pomiarów w polu dalekim wykorzystywany jest system anten pomiarowych, dla pola bliskiego (taki przypadek jest rozpatrywany w naszych testach) wykorzystywany jest układ sond pola bliskiego dla składowej magnetycznej i elektrycznej. Pomiary sondami wykonujemy w najbliższej odległości od źródła emisji w zakresie mili-, centymetrów [9]. Rys. 4. Stanowisko pomiarowe (zdjęcia umiejscowienia sondy pomiarowej przy telefonie oraz zdjęcie odbiornika pomiarowego ESCI3, Laboratorium EMC w Politechnice Lubelskiej) Pomiary emisji promieniowanej są jednym z trudniejszych i prawdopodobnie najkosztowniejszym badaniem, ponieważ wymagają specjalnego stanowiska pomiarowego o
pomijalnym poziomie tła elektromagnetycznego. Zalecenia większości norm dotyczących emisyjności urządzeń zakładają, że pomiary emisji promieniowanej powinny być przeprowadzane na tzw. otwartym poligonie pomiarowym (ang. OATS Open Area Test Site) lub w ekranowanych pomieszczeniach bezodbiciowych [9]. Prezentowane badania zostały wykonane w ekranowanym pomieszczeniu Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki Lubelskiej zlokalizowanego w Centrum Doskonałości ASPPECT. Badaniom poddano 11 modeli telefonów komórkowych. Oceniane modele to produkty czołowych producentów aparatów telefonicznych na rynku europejskim. Do badań wybrano zarówno nowe modele, aktualnie dostępne na rynku, jak i kilkuletnie (ciągle sprawne) aparaty. Pełny wykaz badanych telefonów prezentuje poniższa tabela. Wszystkie modele były badane w dwóch pozycjach. Sonda pomiarowa umieszczana była centralnie z przodu telefonu lub z tyłu. Na rysunku 4 zaprezentowano ułożenie sondy w czasie badań. Jeżeli było to możliwe (brak Simlocka) aparat podczas badania pracował w kilku sieciach (Orange, Era, Plus). Dla każdego aparatu pomiary realizowano w dwóch pasmach 900 MHz i 1800 MHz. Tab. 3. Prezentacja badanych modeli aparatów W zależności od generacji telefonu, jeżeli była taka możliwość, ręcznie przestawiano system nawiązywania komunikacji z BTS na zgodny z realizowanym pomiarem (przy pomiarze pasma 900 ręcznie ustawiano połączenie aparatu z operatorem w standardzie 900). Wybrane wyniki dwóch telefonów prezentują wykresy na rysunkach 5 i 6, natomiast zestawienie najwyższych zmierzonych wartości dla wszystkich badanych telefonów prezentuje tabela 4.
Rys. 5. Charakterystyka widmowa w paśmie 900 telefonu N70 (detektor maksymalny i średni), pomiary dla sondy z przodu i tyłu aparatu Rys. 6. Charakterystyka widmowa pasma 1800 telefonu N85, detektor max i średni Tabela 4. Zestawienie maksymalnych zmierzonych wartości promieniowania Testowany model Producent Model Operator Ustawienie sondy Emisja dbµv/m 1 Nokia 1208 Era Tył 119,3 Nokia 1208 Plus Tył 49,5 2 Nokia 2610 Era Przód 105,5 3 Nokia N70 Orange Tył 51,6 Nokia N70 Era Tył 119,1 4 Nokia N80 Plus Przód 114,2 5 Nokia N85 Era Tył 118,5 6 Nokia N95 Plus Tył 54,3 7 Nokia 6670 Era Tył 116,2
Nokia 6670 Orange Tył 54,4 8 Sagem My1x Era Tył 117,7 9 Samsung E250 Orange Przód 50,4 Samsung E250 Era Przód 118,8 10 Samsung Omnia Plus Tył 47,6 Samsung Omnia Era Tył 118,8 11 Sony Ericsson T290i Orange Przód 45,5 Sony Ericsson T290i Era Przód 118,7 Pomiary przeprowadzano w kilku stanach pracy. Typowy pomiar trwał około 2 minut. Najczęściej i najdłużej badany był czas czuwania telefonu. Badania emisji wykonywano również w trakcie połączenia telefonu do biura obsługi sieci danego operatora. W jednym tylko przypadku (Nokia 1208) badano emisje w trakcie prawdziwej rozmowy. Uzyskane wyniki nie są proste w weryfikacji i formułowaniu ogólnych wniosków, niemniej jako pozytywny wynik należy podkreślić, że żaden z testowanych modeli nie przekroczył dopuszczalnych limitów. Wnioski Przedstawiony przegląd aktualnych informacji na temat możliwości oddziaływania systemów telefonii komórkowej i samych telefonów na nasze zdrowie pozwala na sformułowanie wstępnych wniosków: systemy telefonii komórkowej, obejmujące stacje bazowe i (przede wszystkim) telefony komórkowe, emitują do środowiska promieniowanie mikrofalowe i są stosunkowo nowym czynnikiem środowiska, mogącym potencjalnie oddziaływać na stan zdrowia ludności i użytkowników; zmierzone promieniowania mikrofalowe występujące wokół telefonów komórkowych nie przekroczyły dopuszczalnym limitów, nie wykryto też prostej relacji zmniejszania wartości emisji w nowych modelach aparatów telefonicznych; ocena oddziaływania systemów telefonii komórkowej na stan zdrowia ludności i użytkowników telefonów jest przedmiotem intensywnych badań specjalistów od kilkunastu lat i wraz ze zmieniającymi się wynikami tych badań zarówno sama ocena, jak i zalecenia ulegają pewnym zmianom. Prezentowane wyniki to pierwszy etap badań realizowanych przez studentów koła naukowego i pracowników Politechniki Lubelskiej, a dotyczących oddziaływania telefonii komórkowej na środowisko. W przyszłości planowane są dalsze pomiary promieniowania kolejnych modeli telefonów i wybranych masztów stacji bazowych telefonii GSM.
Literatura [1] Bieńkowski P., Pole elektromagnetyczne od stacji bazowych GSM i ochrona przed promieniowaniem elektromagnetycznym w Polsce http://polaelektromagnetyczne.pl. [2] Bieńkowski P., Wpływ stacji bazowych GSM generacji 2.5 Na środowisko elektromagnetyczne, XIX Sympozjum Środowiskowe, Zastosowania elektromagnetyzmu w nowoczesnych technikach i informatyce, Worliny, ISBN 978-83-7373-055-7 [3] Ciosk K., Calculation of SAR in biological objects with different parameters, XVIII Sympozjum środowiskowe PTZE, Warszawa-Zamość 2008, s. 29-30. [4] Ciosk K., Krawczyk A., Wpływ polaryzacji pola na współczynnik SAR w obiekcie biologicznym, http://polaelektromagnetyczne.pl. [5] Dackiewicz A., Pola elektromagnetyczne a środowisko, http://polaelektromagnetyczne.pl. [6] Gruszka M., Komórka, palenie i picie skraca życie, Twoja Komórka, 12/142 Grudzień 2009. [7] Karwowski A., Ochrona przed promieniowaniem urządzeń radiokomunikacji ruchomej - aktualny stan prac normalizacyjnych w CENELEC i IEC, http://polaelektromagnetyczne.pl. [8] Mazurek P. A., Wac-Włodarczyk A., Parys T., Rojek J., Stroński K., B. Solecki, M. Wójcik, M. Stępniewski, Wybrane zagadnienia pomiarów natężeń pól elektrycznych i magnetycznych niskiej częstotliwości na przykładzie miasta Lublin, XIX Sympozjum Środowiskowe, zastosowania Elektromagnetyzmu w nowoczesnych technikach i informatyce, Woliny 2009, ISBN 978-83-7373-055-7, ISSN 1233-336, str. 125-127. [9] Mazurek P., Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej, skrypt laboratoryjny na prawach rękopisu, Politechnika Lubelska 2009/2010. [10] Parys T., Rojek J., Solecki B., Mazurek P., Wybrane zagadnienia pomiarów natężeń pól elektrycznych i magnetycznych niskiej częstotliwości oraz hałasu, Lubelski Kongres Studenckich Kół Naukowych TYGIEL 2009 czyli jak rozwijać naukę?, Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, ISBN 978-83-7497-078-5, 2009, str. 190-194. [11] Szmigielski S., Sobiczewska E., Oddziaływanie stacji bazowych telefonii komórkowej na środowisko i stan zdrowia ludności, http://polaelektromagnetyczne.pl. [12] Szuba M., Stacje bazowe telefonii komórkowej fakty i mity, http://www.atest.com.pl/, Atest 2001, Nr. 6. [13] Wnuk M., Anteny stacji bazowych telefonii komórkowej, XVIII Sympozjum Środowiskowe, zastosowania Elektromagnetyzmu w nowoczesnych technikach i informatyce, Zamość 2008, s. 63-65. [14] Zmyślony M., Mechanizmy biologiczne i efekty zdrowotne PEM w świetle wymagań raportu oddziaływaniu obiektu na środowisko. Medycyna Pracy, 58 (Nr.1) 2007, s. 27-36.