Thema

Bestimmung der Exposition durch WiMAX

Beginn

10.01.2007

Ende

09.04.2008

Projektleitung

IMST GmbH, Kamp-Lintfort

Hintergrund

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ist ein neuer Standard für regionale Funknetze. Mit theoretisch mehreren Kilometern Reichweite und Datenraten von mehreren Mbit/s soll WiMAX die aktuelle WLAN-Technik deutlich übertreffen. Insbesondere in ländlichen Gegenden, in denen eine Versorgung mit kabelgebundenem DSL bislang fehlt, kann WiMAX für Betreiber von Telekommunikationsnetzwerken eine Alternative zur Überbrückung der so genannten "letzten Meile" zum Kunden darstellen.

Zielsetzung

Ziel des Forschungsvorhabens war es, möglichst frühzeitig eine belastbare Datengrundlage für die von WiMAX hervorgerufenen Expositionen der Bevölkerung in Deutschland zu schaffen. Es sollten gleichermaßen die Beiträge von Basisstationen bzw. Access-Points und Endgeräten berücksichtigt werden. Maximal mögliche und durchschnittlich zu erwartende Expositionen in möglichst unterschiedlichen, praxisrelevanten Szenarien sollten bestimmt werden. Die Ergebnisse sollten mit Daten über Expositionen durch konkurrierende Funkdienste verglichen sowie auf Basis einschlägiger Normen und Richtlinien bewertet werden. Bestehende Mess- und Berechnungsverfahren waren auf ihre Eignung hin zu prüfen und ggf. anzupassen.

Ergebnisse

In einem ersten Schritt hat der Forschungsnehmer mittels einer Literaturrecherche eine Darstellung und Zusammenfassung der WiMAX-Standardisierung im Rahmen von IEEE 802.16 erarbeitet. Der Schwerpunkt der Recherche lag in der Zusammenstellung der für den Strahlenschutz relevanten Informationen bzgl. Parametern wie Sendefrequenzen, Sendeleistungen, Betriebsarten, Modulationen, Kanalzugriffsverfahren, Reichweiten usw.. Zudem wurde das Vergabeverfahren für die bundesweiten und regionalen WiMAX-Sendelizenzen im Frequenzbereich von 3,4 bis 3,6 GHz beschrieben. Anschließend erfolgte die Erarbeitung einer Marktübersicht verfügbarer und eingesetzter Endgeräte sowie Anlagen für die Sende-Infrastruktur in WiMAX-Netzen.

Teil I des Abschlussberichts enthält die wichtigsten Passagen des ersten Zwischenberichts und liegt zum Download als PDF-Datei (524 KB) vor.

Im zweiten Teil des Abschlussberichts diskutiert der Forschungsnehmer verschiedene Verfahren, die zur mess- bzw. rechentechnischen Bestimmung von Expositionen der allgemeinen Bevölkerung durch Funksignale von WiMAX Sendeanlagen bzw. Endgeräten eingesetzt werden können. Modifizierungen bestehender Verfahren, die den besonderen Eigenschaften der WiMAX-Signale Rechnung tragen, werden vorgeschlagen. Dabei werden auf der einen Seite Verfahren zur Überprüfung der Einhaltung von Grenzwerten und andererseits Verfahren zur Ermittelung von zeitlichen sowie räumlichen Durchschnittswerten behandelt und an generischen Quellen bzw. an Beispielszenarien getestet. Breiten Raum nimmt die Analyse der WiMAX Signalparameter und der damit verbundenen Anforderungen an Messantennen und Einstellungen von Messgeräten zur möglichst genauen Bestimmung der Immissionen ein. WiMAX Immissionen im lizenzierten 3,5 GHz Band und im lizenzfreien 5,5 GHz Band werden behandelt.

Teil II des Abschlussberichts liegt zum Download als PDF-Datei (4,2 MB) vor.

Der dritte Teil des Abschlussberichts enthält die Ergebnisse der Immissionsmessungen, die in der Umgebung von WiMAX-Sendeanlagen und an Endgeräten durchgeführt wurden sowie die Analyse und den Vergleich der Ergebnisse mit entsprechenden Daten für andere Funkstandards (WLAN und UMTS). Weiterhin enthält dieser Teil des Berichts die Analyse der rechnerischen Expositionsabschätzungen mittels verschiedener Softwarepakete.

Expositionen durch Basisstationen:

Die Spannweite der im Rahmen der Messkampagne erhobenen, auf maximale Anlagenauslastung der jeweils verursachenden Basisstationen bezogenen Immissionswerte ist mit etwa 50 dB (Faktor 100.000 bezogen auf die Leistungsflussdichte S in W/m² bzw. Faktor 317 bezogen auf die Feldstärken E und H in V/m bzw. A/m) sehr groß, aber in einer typischen und vergleichbaren Größenordnung wie auch bei anderen Funkdiensten. Maximal wurden 0,84 V/m elektrische Feldstärke (entspricht ca. 1,4 % vom Feldstärkegrenzwert) bzw. etwa 1,9 mW/m² Leistungsflussdichte gemessen. Der kleinste Immissionswert betrug 0,002 V/m (entspricht ca. 0,003 % vom Feldstärkegrenzwert) bzw. 0,01 μW/m². Der Median aller Messwerte lag bei 0,028 %, der durchschnittliche Immissionswert bei 0,26 % vom Feldstärkegrenzwert. Grund für die Unsymmetrie der Verteilung sind die deutlich verschiedenen Feldstärkeverteilungen in der Umgebung von Sendern des lizenzfreien (niedrige Immissionswerte) bzw. lizenzierten Frequenzbands (höhere Immissionswerte): Median und Mittelwert unterscheiden sich bei getrennter Auswertung der Messungen um lizenzierte bzw. lizenzfreie Anlagen jeweils um mehr als einen Faktor 20 bezogen auf die Feldstärke. Dies ist vornehmlich auf die geringeren Sendeleistungen der Anlagen im lizenzfreien Frequenzbereich zurückzuführen. Die „aktuellen“, d. h. raum- und zeitgemittelten Immissionen an einem Messort waren bezogen auf die Leistungsflussdichte um den Faktor 6 bis 11 kleiner als die örtlich maximierten und auf maximale Anlagenauslastung extrapolierten Werte. Tageszeitliche Schwankungen der aktuellen, zeitlich über die Länge eines Downlink-Frames gemittelten Immissionen an einem ortsfesten Messpunkt betrugen bei den diesbezüglich untersuchten Anlagen etwa 6 dB (Faktor 4 bezogen auf die Leistungsflussdichte, Faktor 2 bezogen auf die Feldstärken).

Expositionen durch Endgeräte:

Zum Zeitpunkt der Projektdurchführung waren ausschließlich erste Funkmodems auf dem Markt erhältlich. Bei den exemplarisch untersuchten Geräten wurde eine maximale elektrische Feldstärke von 10,1 V/m (17 % vom empfohlenen Feldstärke-Referenzwert) in 50 cm Abstand gemessen, die aber schnell mit der Entfernung abnimmt und in 5 m Abstand nur noch Werte von maximal 1,2 V/m (2 % des Feldstärke-Referenzwerts) erreicht. Im Gegensatz zu Indoor Units ist die von einer Outdoor Unit (Antenne ist vom Gerät abgesetzt und wird außerhalb der Wohnung montiert) zu erwartende Exposition vernachlässigbar klein, da die Außenantenne in üblichen Gebrauchssituationen einen vergleichsweise großen Abstand zu Personen in der Wohnung aufweisen wird und sich diese nicht in der Hauptsenderichtung der bündelnden Richtantenne aufhalten werden. SAR-Messungen an einem Tischgerät unter maximalen Betriebsbedingungen haben eine starke Abhängigkeit der Exposition von Lage und Abstand des Geräts zum Körper bzw. zum Messphantom ergeben. Während bei Abständen zur Antenne im Zentimeterbereich der Basiswert von 2 W/kg im Bereich weniger Prozent ausgeschöpft wurde, kann es bei länger andauerndem direktem Körperkontakt zur Antenne zu Überschreitungen dieses Wertes kommen. Maximal wurden für einen solchen Fall 3,91 W/kg gemittelt über 10 g Gewebe simulierender Flüssigkeit gefunden.

Auch Teil III des Abschlussberichts liegt zum Download als PDF-Datei (4,2 MB) vor.

Fazit

Die im Rahmen des Projekts erhobenen, von WiMAX-Basisstationen verursachten Immissionen lassen auf vergleichsweise geringe zusätzliche Expositionen bezogen auf die  Feldstärkegrenzwerte schließen. Zumindest derzeit sind die Expositionen oftmals geringer als die Expositionen, die auf Mobilfunk-Basisstationen zurückzuführen sind. Da die WiMAX-Netze aber noch nicht vollständig aufgebaut sind, wird es als sinnvoll erachtet, die Situation weiter zu beobachten und mittelfristig ggf. erneut exemplarische Immissionsmessungen durchzuführen. Zu erwartende Expositionen von WiMAX-Basisstationen sind zudem erheblich geringer als die von den untersuchten WiMAX-Endgeräten verursachten Expositionen. Von den aktuellen Endgeräten erzeugen die Outdoor Units erwartungsgemäß deutlich geringere Expositionen als Indoor Units. Letztere können signifikante Expositionen verursachen, die - allerdings in eher untypischen Gebrauchsituationen - auch über den empfohlenen Grenzwerten liegen können. Nicht zuletzt aufgrund der höheren Sendeleistung sind diesbezüglich auch höhere Werte als z. B. bei WLAN-Routern zu erwarten. Anwender sollten daher, wie auch bei anderen Funkanwendungen, in Gebrauchsanleitungen genannte Mindestentfernungen beachten, ab denen die empfohlenen maximalen SAR-Werte sicher unterschritten werden. WiMAX-Modems können für die lokale Anbindung von PCs und Laptops eine zusätzliche WLAN Funkschnittstelle aufweisen, deren Emissionen zu zusätzlichen Expositionen von Personen führen können. Die bestehenden Vorsorgeempfehlungen des BfS zur Aufstellung von WLAN-Komponenten (Aufstellung nicht in unmittelbarer Nähe der Orte, an denen sich Personen ständig aufhalten) können auf WiMAX-Endgeräte ausgedehnt werden. Outdoor Units sind Indoor Units in diesem Zusammenhang vorzuziehen. Statt Geräte mit einer zusätzlichen WLAN-Schnittstelle für die "Inhouse"- Verteilung der Signale zu verwenden, können zur vorsorglichen Reduzierung von Expositionen Geräte mit herkömmlichen Kabelanschlüssen bevorzugt werden.

Die mit einer Änderung des Frequenznutzungsplans im 3,5 GHz-Band verbundene Ausdehnung der Nutzungserlaubnis auf mobile Funkdienste kann dazu führen, dass zukünftig WiMAX-Endgeräte auf den Markt kommen, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch mit Kontakt zum bzw. sehr nahe am Körper betrieben werden und im fraglichen Frequenzbereich emittieren. Dies würde eine neue Expositionssituation darstellen, die gesondert untersucht werden sollte.