:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
Źródła pola elektromagnetycznego w systemach telefonii komórkowej oraz wybrane aspekty transmisji radiowej
Promieniowanie elektromagnetyczne w otoczeniu stacji bazowych telefonii komórkowej i terminali ruchomych

W systemach drugiej i trzeciej generacji zastosowano techniki sterowania mocą, które mają bardzo duży wpływ na ich pracę zarówno pod względem ruchowym jak i związanym z jakością transmisji. Regulacje mocy powodują także zmianę chwilowej wartości natężenia pola elektromagnetycznego wokół anten stacji bazowych i terminali ruchomych.

Charakterystyka promieniowania w otoczeniu stacji bazowych w dużej mierze zależy od odpowiednio zaplanowanej struktury sieci przez danego operatora. Operatorzy stosują anteny o różnych zyskach energetycznych i sprawnościach. Umieszczają je na odpowiednich wysokościach nad poziomem terenu w określonym środowisku i dla różnych kierunków wiązek głównych stosują różne wartości kąta pochylenia elektrycznego lub mechanicznego.

Ostateczna wartość natężenia pola elektrycznego zależy od mocy doprowadzonej do anteny, rodzaju systemu i technik transmisyjnych o charakterze impulsowym lub ciągłym oraz technik sterowania mocą. Poziom promieniowania może się także zmieniać w zależności od aktualnego ruchu telekomunikacyjnego w obrębie danej komórki (stopnia wykorzystania kanałów), czy samej wielkości obsługiwanego terenu, w tym odległości stacji bazowej od terminala ruchomego.

Zmienność pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowych powoduje pewne komplikacje przy wyliczeniu wartości teoretycznej gęstości mocy promieniowania. Najczęściej stosowane są wartości maksymalne przy założeniu najgorszych warunków transmisyjnych – pełnej zajętości kanału fizycznego i dużej odległości terminali ruchomych od stacji bazowych.

Wartość natężenia pola elektrycznego wokół terminala ruchomego praktycznie zależy od tych samych parametrów co w przypadku stacji bazowych, jednak ze względu na fakt, iż m.in. łącze „w górę” jest łączem typu „punkt-punkt” wartość natężenia pola elektromagnetycznego wokół anten terminali ruchomych jest znacznie mniejsza niż anten stacji bazowych. Stosowane są tutaj także różne techniki transmisji ograniczające moc nadawania, takie jak sterowanie mocą czy też głównie w telefonii drugiej generacji – technika DTX (ang. Discontinous Transmission Exchange) ograniczająca promieniowanie w przypadku chwilowej nieaktywności użytkownika w trakcie rozmowy telefonicznej.

W systemie GSM wyróżnić można dwie składowe promieniowania: pożądaną i niepożądaną. Składowa pożądana związana jest z przenoszeniem użytecznych informacji w paśmie GSM 900 i GSM 1800. Stosowanie w systemach drugiej generacji wielodostępu z podziałem czasowym TDMA, co za tym idzie szczelin czasowych, spowodowało powstanie składowych pozapasmowych zajmujących pasmo ELF (ang. Extremely Low Frequencies). Stacja ruchoma w trakcie transmisji danych wykorzystuje najczęściej jedną szczelinę czasową w trakcie trwania pojedynczej ramki co skutkuje powstaniem dodatkowego promieniowania pozapasmowego o częstotliwości: 1/(4,615 ms) ≈ 216,7 Hz. Na wykresie umieszczonym na rysunku 2.7 zauważyć można prążki o zbliżonej amplitudzie odległe między sobą o częstotliwość 216,7 Hz. W trakcie transmisji danych co 26-ta ramka wykorzystywana jest do przesyłania informacji systemowych, która ze względu na użycie kodera mowy o połówkowej przepustowości, powoduje powstanie promieniowania o częstotliwości 1/(26∙4,615 ms) ≈ 8,3 Hz i jej harmonicznych [Źródło].

Rysunek 2.7. Widmowa gęstość mocy promieniowania wokół terminala ruchomego podczas transmisji w systemie GSM w niskich częstotliwościach [Źródło]

W systemie GSM wprowadzono także techniki transmisji przerywanej DTX polegające na obserwacji aktywności abonenta w trakcie rozmowy i ograniczeniu liczby pakietów przesyłanych w kanale radiowym. Nadajnik po rozpoznaniu kolejnych ramek zawierających jedynie szum – przesyła tylko jedną ramkę. Kolejne wysyłane są w ośmiu impulsach (ramki sygnału mowy SID – ang. Silence Descriptor Frames) w czasie trwania 4 wieloramek składających się każda z 26 ramek TDMA [Źródło]. Z tego względu w widmie gęstości mocy widoczne są składowe począwszy od 1/(480 ms) ≈ 2,1 Hz. Odebranie ramek SID w trakcie rozmowy przez drugiego abonenta powoduje wygenerowanie sygnału dźwiękowego imitującego szum, zamiast ciszy podobnej do zerwania połączenia. Technika DTX powoduje ograniczenie liczby przesyłanych ramek, a co za tym idzie zmniejszenie emitowanego promieniowania i ograniczenie poziomu interferencji. W przypadku systemu UMTS, technika DTX stosowana jest jedynie w łączu „w dół” i polega na dodaniu wskaźników DTX (ang. Discontinuos Transmission indication bits), jeśli kanał transportowy nie wypełnia swojego miejsca w ramce przy wykorzystaniu strategii przydziału ustalonych pozycji (ang. fixed position scheme). Bity DTX wskazują nadajnikowi, kiedy należy przerwać transmisję [Źródło].

Eliminacja promieniowania pozapasmowego jest praktycznie niemożliwa, choć jej redukcja może odbywać się poprzez m.in. odpowiednie regulowanie kształtu zbocza impulsu. Dla uniknięcia interferencji pomiędzy stacja bazowych a innymi urządzeniami elektrycznymi wprowadzono maksymalne wartości poziomu promieniowania dla poszczególnych pasm częstotliwości. Dla zakresu częstotliwości 9 kHz - 1 GHz maksymalna wartość wynosi -36 dBm, zaś dla przedziału 1 - 12,75 GHz -30 dBm.

W pobliżu anten stacji bazowych i terminali ruchomych pole elektromagnetyczne jest nierównomierne i ma bardzo skomplikowaną strukturą. Ze względu na zmienny charakter pola elektromagnetycznego w zależności od odległości od anteny, wyróżniono podział na odpowiednie strefy promieniowania. Spotykane w literaturze wartości granic pomiędzy różnych obszarami promieniowania są różne, panuje także duża rozbieżność w samym nazewnictwie. Zgodnie z Polską Normą oznaczoną symbolem PN-T-06580-1 wyróżnić można następujące obszary (strefy) promieniowania (rys. 2.8):

  • obszar bliski pola indukcyjnego, w odległości do ok. 0,62∙√D3/λ od anteny, gdzie D to maksymalna poprzeczna rozpiętość apertury reprezentującą antenę, zaś λ – długość fali elektromagnetycznej,
  • obszar bliski pola promieniowania (obszar Fresnela) w odległości od ok. 0,62∙√D3/λ do ok. 2∙D2/λ od anteny,
  • obszar pola dalekiego (obszar Fraunhofera) w odległości powyżej 2∙D2/λ na kierunku wiązki głównej, zaś na kierunkach listków bocznych od ok. 4÷8∙D2/λ [Źródło].
Rys. 2.8. Obszary pola indukcyjnego i pola promieniowania [Źródło]

W obszarze bliskim pola indukcyjnego dominują składowe indukcyjne pola elektromagnetycznego, które związane są z oscylują energii między źródłem a przestrzenią. Wokół anten występują składowe wzdłużne równoległe do kierunki propagacji fali. Wypromieniowana fala jest więc falą kulistą. W strefie tej występuje także ziarnisty charakter pola – sumowanie promieni wychodzących z różnych części anteny o różnych fazach.

Obszar promieniowania anteny, to obszar, w którym pole promieniowania przewyższa pole indukcyjne. W obszarze bliskim występują jeszcze składowe wzdłużne, choć praktycznie znikają one w obszarze pola dalekiego i dopiero w tej strefie falę można traktować jako falę w pełni płaską. W obszarze pola dalekiego impedancja falowa jest tożsama z impedancją falową ośrodka [Źródło].

Określenie różnych obszarów wokół anten ma duże znaczenie przy ocenie wpływu promieniowania anten stacji bazowych i terminali ruchomych na ludzi i środowisko. Ze względu na różnych charakter pola elektromagnetycznego, w poszczególnych strefach obowiązują inne zasady pomiaru natężenia pola oraz stosowane są inne zalecenia i przepisy ochronne.

© 2009 Krzysztof Niemczyk