Thema

Bestimmung der realen Feldverteilung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern in der Umgebung von UMTS-Sendeanlagen

Beginn

01.12.2004

Ende

31.05.2006

Projektleitung

IMST GmbH, Kamp-Lintfort

Zielsetzung

Der Hintergrund für dieses Projekt ist im Aufbau der UMTS-Mobilfunknetze in Deutschland ab dem Jahr 2002 zu sehen. Das Projekt ergänzt das Forschungsvorhaben Entwicklung von Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Exposition der Bevölkerung durch elektromagnetische Felder in der Umgebung von Mobilfunk Basisstationen, in dem Verfahren zur Messung und Berechnung elektromagnetischer Felder in der Umgebung von GSM Mobilfunkbasisstationen entwickelt wurden.

Das Ziel des UMTS-Vorhabens war es, Mess- und Berechnungsverfahren zu entwickeln (bzw. bestehende Verfahren zu modifizieren), die geeignet sind, die örtliche und zeitliche Verteilung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern in der Umgebung von UMTS-Sendeanlagen zu ermitteln und auf diese Weise die tatsächliche Exposition von Personen im Umfeld dieser Anlagen zu bestimmen und zu bewerten. Grundlage der Bewertung sollten dabei die Vorgaben der 26. BImSchV sein.

Ergebnisse

Hinsichtlich messtechnischer Erhebungen konnten mit breitbandigen, frequenzselektiven (spektralen) und codeselektiven Verfahren drei Methoden mit unterschiedlichen Messprinzipien identifiziert werden. Für Messungen zum Nachweis der Einhaltung der Grenzwerte in der 26. BImSchV lieferte das codeselektive Verfahren die zuverlässigsten und genauesten Ergebnisse. Dieses Verfahren ist in der Lage, wie von der 26. BImSchV gefordert, unabhängig von der aktuellen Auslastung der Sendeanlage zuverlässig auf maximale Anlagenlast zu extrapolieren. Auf diese Weise kann zuverlässig die maximal mögliche Immission an einem Messort bestimmt werden. Zur Maximalwertsuche innerhalb eines bestimmten Messvolumens wird bei UMTS ebenso wie bei GSM die Schwenkmethode empfohlen. Die Geschwindigkeit des Schwenkvorgangs muss aber an die geringe Dekodiergeschwindigkeit aktueller Messgeräte angepasst werden. Entgegen den Erwartungen war das fast-fading (Pegeleinbrüche in Abständen weniger Zentimeter) der UMTS-Felder z. B. in Innenräumen trotz der deutlich größeren Signalbandbreite nicht weniger ausgeprägt als bei GSM. Der Schwenkvorgang muss daher mit vergleichbarer Sorgfalt durchgeführt werden, um keines der lokal begrenzten Maxima zu verpassen. Als Messantennen sollten auf Empfehlung des Forschungsnehmers vorzugsweise logarithmisch-periodische (LogPer-)Antennen eingesetzt werden, da bei diesen aufgrund Ihrer Richtwirkung das Messergebnis am wenigsten durch die Anwesenheit des Messpersonals beeinflusst wird. Zur Messung von örtlichen und zeitlichen Mittelwerten bzw. zeitlichen Verläufen werden auch frequenzselektive Messverfahren in Verbindung mit isotropen Antennen ohne ausgeprägte Richtwirkung als geeignet angesehen. Hierbei ist die Gefahr von Fehlbewertungen der Immission durch falsche Messgeräteeinstellungen allerdings besonders hoch. Hinweise zur Vermeidung solcher Fehler wurden im Forschungsvorhaben erarbeitet. Unabdingbar ist der Einsatz von RMS-Detektoren sowie die korrekte Einstellung der Messbandbreite und der Sweeptime. Vorgaben für eine Messnorm wurden erarbeitet und vorgeschlagen.

An den 163 Messpunkten in 11 untersuchten Szenarien, die exemplarisch für unterschiedliche Netzstrukturen und Zelltypen ausgesucht wurden, konnten codeselektiv gemäß 26. BImSchV auf maximale Anlagenlast extrapolierte Expositionswerte ermittelt werden, die maximal bei 5,1 V/m bzw. 69,3 mW/m² lagen (entspricht 8,4 % des Feldstärkegrenzwertes oder 0,7 % des Leistungsflussdichtegrenzwertes nach 26. BImSchV bzw. EU-Ratsempfehlung (1999/519/EG)). Die kleinsten Werte lagen 58 dB (ca. Faktor 693.000 bezogen auf die Leistungsflussdichte oder um den Faktor 832 bezogen auf die Feldstärke) darunter. Die Immissionswerte unterliegen damit einer äußerst großen Streubreite. Interessant ist, dass die größten Messwerte eher in kleinzelligen Szenarien auftraten, da hier aufgrund der meist niedrig montierten Antennen eine größere Annäherung an den Sender möglich ist, was trotz der in der Regel geringeren Sendeleistung zu vergleichsweise höheren Expositionswerten geführt hat. Hingegen wurden bei hoch montierten Antennen, beispielsweise bei den so genannten Ultra High Sites (UHS), die im Rahmen dieser Untersuchung niedrigsten Expositionen festgestellt. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass im Rahmen dieses Projektes keine Bewertung der unterschiedlichen Versorgungskonzepte bezüglich der jeweiligen Versorgungsgüte durchgeführt wurde. Ähnlich wie bei den GSM Basisstationen hat sich besonders im unmittelbaren Umfeld der Sender (Umkreis bis etwa 100 m) gezeigt, dass der bloße Abstand zur Anlage ein schlechtes Maß für eine Expositionsbestimmung ist. Sichtbedingungen sowie die Lage des jeweiligen Messpunktes zur Ausrichtung der Hauptkeule der Sendeantenne haben einen deutlichen Einfluss auf die Exposition. Die zum Vergleich an identischen Orten ebenfalls aufgenommenen GSM Immissionen lagen in 85 % der Fälle über den UMTS Immissionen (bezogen auf die frequenzabhängigen Grenzwerte ). Dies wird damit begründet, dass die GSM Stationen häufig mit höheren Sendeleistungen betrieben wurden, dass der Grenzwert insbesondere für GSM 900 niedriger als der für UMTS ist und dass die Wahrscheinlichkeit in die Hauptkeule einer GSM Antenne zu geraten vergleichsweise größer ist, da bei niedrigeren Frequenzen eine geringere Richtwirkung eintritt. Während der höchste gemessene UMTS Messwert 8,4 % des Feldstärkegrenzwertes ausschöpfte, konnten bei GSM bis zu 12,8 % Ausschöpfung beobachtet werden. Die Medianwerte lagen bei 0.72 % für UMTS und 1.75 % bei GSM. Die über alle Messwerte gemittelte durchschnittliche Exposition lag für UMTS bei 2,2 % des Grenzwertes (jeweils bezogen auf maximale Anlagenauslastung). Die tageszeitlichen Variationen der Immissionen waren bei den UMTS Stationen geringer, was u. a. auch auf den noch geringen Daten- und Sprachverkehr in den UMTS Netzen zurückgeführt wurde.

Für die Berechnungen wurden mehrere kommerzielle Programme auf ihre Eignung zur Ermittelung der Exposition der Bevölkerung in der Umgebung von UMTS Sendeanlagen untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass trotz der im Vergleich zu anderen Funkdiensten hohen Bandbreite der UMTS Signale eine multifrequenzielle Nachbildung der Feldquelle (gemeint sind Berechnungen der Immissionen bei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Signalbandbreite) keine genaueren Resultate liefert, als eine monofrequente Anregung. Der zusätzliche Mehraufwand rechtfertigt die geringe Steigerung an Genauigkeit in keinem Fall. Wie zu erwarten, ist in Situationen bei denen Sichtverbindung zwischen Basisstationsantennen und Immissionsort besteht, gute Übereinstimmung zwischen Berechnung und Messung zu erzielen. Allerdings können alleine schon Bäume, die sich auf der Verbindungslinie zwischen Antenne und Immissionsort befinden, falls sie bei der Simulation nicht berücksichtigt werden, dazu führen, dass die Simulationsergebnisse bis zu 10 dB (Faktor 10 bzgl. der Leistungsflussdichte) über den gemessen Werten liegen. Sofern wirklich freie Sicht zur Antennenanlage besteht, können unter Berücksichtung des Richtdiagramms der Basisstationssendeantennen auch mit der einfachen Berechnungsmethode für die Freiraumausbreitung und einem Zuschlag von 3 dB für etwaige Bodenreflexionen hinreichend genaue, konservative Ergebnisse erzielt werden. In Situationen, bei denen keine direkte Sichtverbindung zwischen Basisstationsantennen und Immissionsort besteht, muss der Einfluss der umstehenden Gebäude hingegen zwingend berücksichtigt werden (d. h. die Gebäude müssen in der Simulation modelliert werden). Hier wächst der Aufwand, der zur Erzielung hinreichend genauer Ergebnisse betrieben werden muss, sehr schnell, so dass die Ermittelung der Immissionen auf diese Weise als wenig zweckmäßig bezeichnet werden muss.

Der Abschlussbericht, der auch alle Zwischenberichte enthält, liegt zum Download in mehreren PDF-Dateien vor:

Abschlussbericht Teil 1 (704 kB).

Abschlussbericht Teil 2 (7.5 MB).

Abschlussbericht Teil 3 (10.1 MB).

Publikationen

• C. Bornkessel, M. Schubert, M. Wuschek and P. Schmidt: Determination of the general public exposure around GSM and UMTS base stations, Radiation Protection, Vol. 124, No. 1, 2007, pp. 40-47, doi:10.1093/rpd/ncm373

Fazit

Das Forschungsvorhaben konnte zeigen, dass typische Immissionen auch in der unmittelbaren Umgebung von UMTS-Basisstationen deutlich unter den derzeit geltenden Grenzwerten liegen. Derzeit sind die Immissionen der UMTS Basisstationen oftmals geringer als die des GSM Systems. Allerdings muss die Situation auch in der Zukunft weiter beobachtet werden, da die Netze zum Zeitpunkt der Durchführung des Forschungsvorhabens noch vergleichsweise wenig Sprach- und Datenverkehr zu bewältigen hatten und noch nicht vollständig ausgebaut waren. Die durchgeführten Arbeiten konnten einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Anforderungen an eine fachgerechte Erhebung von UMTS Immissionen festzulegen.