Wie werden HF-Immissionen korrekt gemessen?

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1 Teil II Wie werden HF-Immissionen korrekt gemessen? Quelle: rohde-schwarz.de Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.1

2 Überblick Teil II 1. Grundlegende Messarten 2. Arbeiten mit dem Spektrumanalysator 3. Feldverteilung und Konsequenzen 4. Korrekte Messungen: - Rundfunk: UKW, DAB, DVB-T - Mobilfunk: GSM, TETRA, UMTS, LTE - Wohnung/Büro: DECT, WLAN 5. Typische Messergebnisse und Einflussfaktoren für die Immission Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.2

3 1. Breitband- und Spektralmessungen Breitband Spektral Quelle: narda-sts.de + einfach (Material und Zeit) - begrenzte Empfindlichkeit - Fehlbewertung bei modulierten Signalen möglich - keine Frequenzselektivität (Hochrechnung schwierig) Quelle: rohde-schwarz.de - nur für erfahrenes Personal - größerer Aufwand + ausreichend empfindlich + frequenzselektiv (Hochrechnung möglich) + genauest mögliche Messung Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.3

4 2. Der Spektrumanalysator Quelle: rohde-schwarz.de Das wichtigste Messmittel ist der Spektrumanalysator Er gestattet sowohl die Erfassung von (Stör-)Signalen, als auch deren normgerechte Bewertung Im HF-Bereich werden Analysatoren meist nach dem Überlagerungsprinzip aufgebaut Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.4

5 Spektrumanalysator mit Überlagerungsprinzip Quelle: Rauscher, Grundlagen der Spektrumanalyse Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.5

6 Signalpegel Funktionsweise Spektrumanalysator Frequenz Quelle: Wuschek Ein definierter Frequenzbereich wird mit einer wählbaren Auflösung (RBW) "abgesucht". Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.6

7 Einstellung des Frequenzbereichs Der darzustellende Frequenzbereich kann durch Start- oder Stopp-Frequenz (niedrigste bzw. höchste darzustellende Frequenz), oder Mittenfrequenz (Center Frequency) und den Darstellbereich (Span), zentriert um die Mittenfrequenz, eingestellt werden. Quelle: Rauscher, Grundlagen der Spektrumanalyse Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.7

8 Einstellung des Pegelbereichs Die Einstellung erfolgt über den maximal darzustellenden Pegel (Reference Level) und den Darstellbereich Die Einstellungen sind auch von der gewählten Dämpfung der eingangsseitigen Eichleitung abhängig. Quelle: Rauscher, Grundlagen der Spektrumanalyse Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.8

9 Auflösebandbreite (RBW) Die Auflösebandbreite legt die 3-dB- Bandbreite des Zwischenfrequenzfilters fest, mit der die Signale im Analysator gemessen werden. Die RBW muss immer mindestens so groß sein wie die Bandbreite des zu messenden Signals, da ansonsten das Signal unterbewertet wird. Bei zu großer RBW besteht die Gefahr der Überbewertung, da eventuell vorhandene Nachbarkanäle einbezogen werden. 2 Sinusträger, blau - RBW = 3 khz, rot - RBW = 30 khz Quelle: Rauscher, Grundlagen der Spektrumanalyse Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.9

10 Einfluss der RBW: LTE-Signal, 9 MHz * RBW 100 khz VBW 1 MHz Ref 0 dbm * Att 20 db * SWT 35 ms 0-10 Delta 2 [T1 ] 1.81 db MHz Marker 1 [T1 ] dbm MHz A 1 RM * VIEW DB Center 806 MHz 2 MHz/ Span 20 MHz Date: 20.OCT :07:51 RBW=100 khz: - Exposition wird stark unterschätzt - Signalform wird gut reproduziert Übersichtsmessungen Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.10

11 Korrekte RBW: LTE-Signal, 9 MHz 1 RM * VIEW -20 * RBW 10 MHz VBW 10 MHz Ref 0 dbm * Att 20 db * SWT 35 ms 0-10 RBW = 10 MHz 3 Marker 3 [T3 ] dbm MHz Marker 1 [T1 ] dbm MHz Marker 2 [T2 ] dbm MHz * A 2 RM * VIEW RM * VIEW RBW = 100 khz 1 RBW = 1 MHz -60 3DB Center 806 MHz 2 MHz/ Span 20 MHz Date: 20.OCT :13:22 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.11

12 Sweepzeit (Sweep Time, SWT) Die Zeit, die benötigt wird, um das gesamte eingestellte Frequenzspektrum aufzunehmen, wird als Sweep Time bezeichnet. Bei einer zu kleinen SWT hat das ZF-Filter nicht genügend Zeit einzuschwingen (Amplituden- und Frequenzfehler). Ungeeignete Kombinationen zwischen RBW, Span und SWT werden oft automatisch erkannt ("uncal"). Quelle: Rauscher, Grundlagen der Spektrumanalyse Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.12

13 Detektoren Moderne Spektrumanalysatoren verwenden zur Anzeige LCD- Displays. Bei diesen ist die Auflösung in x- (Frequenz-) und y- (Pegel)- Richtung begrenzt. Vor allem bei der Darstellung großer Frequenzbereiche enthält ein Pixel die Information eines großen Teilbereiches (d.h. viele Messwerte, sog. Samples oder Bins). Welcher Messwert durch das Pixel dargestellt wird, hängt vom gewählten Detektor ab. Quelle: Rauscher, Grundlagen der Spektrumanalyse Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.13

14 RMS-Detektion Die Grenzwerte sind als zeitliche Effektivwerte definiert (thermisches Äquivalent). Dies erfordert insbesondere bei digital modulierten Signalen (zeitlich stark schwankende Hüllkurve) den RMS-Detektor. Bei Peak-Detektor Fehlbewertung in Höhe des Crestfaktors möglich. RMS-Detektor erfordert ausreichende Sweepzeit (mind. ca. 100 ms), da RMS- Detektion durch Berechnung realisiert wird. P max P average Beispiel: UMTS-Signal (Zeitbereich) Crestfaktor C = P max / P average Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.14

15 RMS-Detektion: Wieviel Samples sind genug? Wiederholgenauigkeit einer RMS-Kanalleistungsmessung an einem Rauschsignal (Crestfaktor 10 db), Quelle: Rohde & Schwarz Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.15

16 RMS-Detektion: Wahl der Sweepzeit Die Sweepzeit darf nicht zu klein gewählt werden, da ansonsten nicht genügend Samples für eine RMS-Mittelung zur Verfügung stehen zu groß gewählt werden, da bei gepulsten Signalen ansonsten in die Pausen hinein gemittelt wird. (Verweilzeit pro Pixel = Sweepzeit/Anzahl Horizontalpixel maximal so groß wie Pulsbreite) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.16

17 Kalibrierte Messungen Antenne Kabel Spektrumanalysator E [dbµv/m] = U Display [dbµv] + K Antenne [db/m] + a Kabel [db] U Display = vom Analysator angezeigter Wert K Antenne = Antennenfaktor (Kalibrierbericht) a Kabel = Kabeldämpfung (Kalibrierbericht) Bei modernen Analysatoren wird die Feldstärkeberechnung aus der gemessenen Spannung automatisch vorgenommen. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.17

18 3. Feldverteilung und Konsequenzen Örtliche Feldstärkevariation Zeitliche Feldstärkevariation Anforderungen an Messverfahren Vorstellung und Bewertung von Messmethodiken Einfluss des Messpersonals auf die gemessene Exposition Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.18

19 Großskalige örtliche Variation: Antenne Nebenkeulen Variationen von einigen 10 db in Abhängigkeit vom Ort Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.19

20 Großskalige örtliche Variation: Abschattung N Basisstation Quelle: IMST+EM-Institut, Exposition durch UMTS, Studie für das BfS, 2006 Variationen von einigen 10 db, aber Reflexion und Beugung beachten! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.20

21 Kleinskalige örtliche Variation: Fading 100 Messung: GSM 900 und UMTS Simulation: GSM 900 electric field strength [dbµv/m] place [cm] GSM 900 UMTS GSM 900 Quelle: IMST+EM-Institut, Exposition durch UMTS, Studie für das BfS, 2006 Kleinskalige Schwankungen (fast fading) vor allem innerhalb von Räumen durch Mehrwegeausbreitung, teilweise bis zu 20 db Auch in Outdoor-Szenarien (UKW-Radio an Ampel) Messungen an einem Punkt sind nicht repräsentativ! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.21

22 Anwesenheit von Personen Quelle: IMST, Exposition durch GSM-Basisstationen, Studie für das BfS, 2005 Person Veränderung der Immission nicht nur im Bereich der Person Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.22

23 Räumliche Mittelwertbildung? Berechnungsbeispiel Maximale Feldstärke: 2,0 V/m Mittlere Feldstärke im gesamten Volumen: 1,0 V/m Mittlere Feldstärke über 5 Punkte in einer Ebene 1,6 m über dem Boden: 0,6 V/m Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.23

24 kitchen Maximumsuche: Prescan? window window PC base station antenna balcony table Quelle: IMST+EM-Institut, Exposition durch UMTS, Studie für das BfS, 2006 Computer for remote control of the mesauremens Messungen an 10 Punkten auf einer Linie mit und ohne Person Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.24

25 Ergebnisse der Prescanuntersuchungen Feldstärke in db Mit Person Ohne Person Feldstärke in db Mit Person Ohne Person Messpunkt Nr Messpunkt Nr. Quelle: IMST+EM-Institut, Exposition durch UMTS, Studie für das BfS, 2006 Ort des Maximums ändert sich, aber Pegel nahezu unverändert Prescan zur Maximumsuche fragwürdig Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.25

26 Feldstärke [V/m] Zeitliche Schwankungen Messung: GSM 24 Stunden Messung: GSM 7 Tage 4 2 3,5 Elektrische Feldstärke [V/m] 1,8 3 2,5 2 1,6 1,4 1,5 1, :00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Uhrzeit Wochentag Quelle: IMST, Exposition durch GSM-Basisstationen, Studie für das BfS, 2005 Groß- und kleinskalige zeitliche Schwankungen (Verkehrsauslastung) Messungen an einem festen Zeitpunkt sind nicht repräsentativ! Messungen in einem beliebigen 6-Minuten Intervall nicht repräsentativ! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.26

27 Elektrische Feldstärke [db V/m] Zeitliche Variation des Funkkanals 90 bewegende Personen Nacht 75 Schirmkammertür offen 70 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00 Uhrzeit Quelle: IMST, Exposition durch GSM-Basisstationen, Studie für das BfS, 2005 Zeitliche Änderungen im Ausbreitungspfad zwischen Sender und Messpunkt, z.b. durch sich bewegende Personen oder Autos Messungen an nur einem Punkt zu einer Zeit nicht repräsentativ! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.27

28 Feldstärke [V/m] Die Immissionen durch Basisstationen schwanken Großskalig örtlich Kleinskalig örtlich 4 Klein- und großskalig zeitlich 3,5 3 2,5 2 1,5 1 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 Uhrzeit Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.28

29 Maximalwert oder Mittelung? Antwort generell von Aufgabenstellung abhängig Die 26. BImSchV fordert: - Messungen sind bei der höchsten betrieblichen Anlagenauslastung durchzuführen (bzw. andernfalls sind Messwerte entsprechend hochzurechnen) - Messungen sind am Einwirkungsort mit der stärksten Immission durchzuführen - Beurteilung der Messergebnisse erfolgt auf Basis der maximal gemessenen Werte am Messort ICNIRP erlaubt auch Mittelung über den Körperdimensionen der exponierten Person (aber Grenzwert für lokale Exposition darf nicht überschritten werden!!) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.29

30 UKW Antennen UKW Antennen TV Antennen TV Antennen Messungen für den Arbeitsschutz Plattform m Umstieg 97 m UKW Dipol Plattform 2 Leiter Plattform 1 90 m Umstieg 5 Leiter 1 4 Reflektoren 3 Messqualität entscheidet über die Gesundheit und das Leben von Arbeitern! 2 Plattform 1 Örtliche und zeitliche Maximierung obligatorisch! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.30

31 Bestimmung der Grenzwertausschöpfung Sendeanlage muss Expositionsgrenzwerte in allen allgemein zugänglichen Bereichen und bei allen Betriebsarten einhalten Örtliche und zeitliche Maximierung obligatorisch! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.31

32 Messung an sensiblen Orten Kindergärten Schulen Maximumsuche sinnvoll (Risikokommunikation) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.32

33 Messung für epidemiologische Studien Studie Wuschek et al., 2003: "Großräumige Ermittlung von Funkwellen in Baden-Württemberg" Erfassung der mittleren Exposition und Bestimmung des Anteils verschiedener Quellen zur Gesamtexposition Örtliche und zeitliche Mittelung sinnvoll Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.33

34 Langzeitmessungen GSM900-Swisscom 10 8 Samstag Sonntag Promille von GW Std. Quelle: Wuschek et al. "Langzeitmessungen im Kanton Schwyz (Schweiz)" Zeitliches Expositionsverhalten an einem festen Punkt Weder zeitliche noch örtliche Maximierung sinnvoll Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.34

35 Maximumsuche im Messvolumen Derzeit gibt es drei etablierte Methoden zur Bestimmung des lokalen Maximums: - Schwenkmethode - Drehmethode - Punktrastermethode Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.35

36 Schwenkmethode Volumenabtastung mit handgeführter Antenne Variation von Vorzugs- und Polarisationsrichtung der Antenne Bis ca. 1,75 m Höhe >50 cm Abstand zu Wänden Maxhold-Funktion Maximalwert im Messvolumen Zeitaufwand: typisch 2 Minuten Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.36

37 Drehmethode Messantenne beschreibt Kreis mit >1 m Durchmesser 4 Polarisationen der Antenne (H, V, +45, -45 ) 3 Höhen (0,75 / 1,25 / 1,75 m) >50 cm Abstand zu Wänden Maxhold-Funktion Maximalwert auf Zylinder Zeitaufwand: einige 10 Minuten Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.37

38 Quelle: Narda STS Punktrastermethode Zeitaufwand: Stunden Abtastung eines Punktrasters Unterschiedliche Rastergeometrien möglich Isotrope Messung (keine Richtantennen einsetzbar) Maximalwert oder Mittelwert Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.38

39 Vorgeschlagene Rastergeometrien ANFR/DR-15 Frankreich pren CENELEC CEPT 0.35 m 0.40 m Centre Centre Centre 1.25 m D= 1.25 m 1.7 m 1.5 m 0.50 m 1.1 m SICTA Sschweiz Netzbetreiber Schweiz 5 cm n=30 head area: cm n=36 10 cm trunk area: cm n=10 20 cm leg area: cm 10 cm Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.39

40 Vergleich der Methoden Schweizer Ringvergleich Ziel: Vergleich der verschiedenen Maximierungstechniken, Erfahrungen bezüglich Reproduzierbarkeit Durchführung: BUWAL (Schweizer Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft) METAS (Schweizer Bundesamt für Metrologie) Messorte: 4 Messsorte innerhalb von Gebäuden in der Nähe von GSM Basisstationen Teilnehmer: 19 Labore Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.40

41 Vergleich der Methoden: Ergebnisse Sicht zu Mobilfunkantennen Keine Sicht zu Mobilfunkantennen Standardabweichung 1,4 db Standardabweichung 2,2 db Blau: Rot: Messung mit bikonischen oder Dipolantennen Messung mit logarithmisch-periodischen Antennen Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.41

42 Fazit Messmethoden Schwenk-, Dreh- und Punktrastermethode liefern bei sorgfältiger Durchführung (und im Falle der Rastermethode mit ausreichend vielen Punkten) identische Ergebnisse Zeitaufwand bei Schwenkmethode am geringsten Mögliche Platzprobleme bei Punktraster- und Drehmethode Streuung der Ergebnisse bei Messung durch unterschiedliche Labore ist vergleichbar (insbesondere ist Streuung der aufwändigen Punktrastermethode nicht besser als bei relativ einfacher Schwenkmethode) Punktrastermethode gestattet zwar als einzige Methode Mittelung, kann Exposition aber unterschätzen, falls lokale Exposition dominiert Schwenkmethode ist am besten geeignet Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.42

43 Fazit örtliche Schwankungen Die HF-Exposition im Umfeld von Basisstationen (wie auch die anderer VHF/UHF Sender) unterliegt großen kleinskaligen Feldstärkevariationen Diese Variationen müssen durch geeignete Messtechniken berücksichtigt werden Bei den meisten Messaufgabenstellungen ist die Suche des lokalen Expositionsmaximums notwendig oder zumindest sinnvoll Die Schwenkmethode ist die dafür am besten geeignete Methode Was ist mit der zeitlichen Variation? Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.43

44 Elektrische Feldstärke [V/m] Strategie der zeitlichen Maximierung Relevanz: Funkdienste mit verkehrsabhängiger Sendeleistung (z.b. GSM, UMTS, LTE) Problem: Wie extrapoliert man die aktuell gemessene Exposition auf das mögliche Maximum? 1 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 Zeit Lösung: Messung der Exposition durch zeitlich konstante Signalisierungskanäle und Extrapolation der Exposition mit P max /P gemessen 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.44

45 Einfluss des Messenden Messantenne Tests in Absorberkammer (definierte Umgebung) Parameter: Absorberauskleidung des Bodens, Frequenz, Antennentyp, Abstand des Messpersonals zur Antenne Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.45

46 relative Abweichung [db] relative Abweichung [db] Ergebnis: GSM ohne Bodenabsorber 2 mit Bodenabsorbern 1, ,5 0-5 Legende logper Pol H bikon Pol H logper Pol V bikon Pol V ,5 1 1,5 2 2, ,5 Legende -1 logper Pol H bikon Pol H -1,5 logper Pol V bikon Pol V ,5 1 1,5 2 2,5 3 Abstand zur Empfangsantenne [m] Abstand zur Empfangsantenne [m] Teilweise extrem großer Einfluss des Messpersonals bei Antennen mit geringer Richtwirkung Berücksichtigung im Fehlerbudget oder Verwenden von Antennen mit Richtwirkung Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.46

47 4. Korrekte Messungen Grundlegende Voraussetzungen Rundfunk : UKW, DVB-T, DAB Mobilfunk: GSM, TETRA, UMTS, LTE Wohnung: DECT, WLAN Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.47

48 Grundlegende Voraussetzungen: a. RMS-Detektion P max P average Beispiel: UMTS-Signal Crestfaktor C = P max / P average Bei Signalen mit rauschähnlicher Hüllkurve (digital modulierte Signale) muss der RMS-Detektor verwendet werden! Bei Peak-Detektor Überbewertung in Höhe des Crestfaktors Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.48

49 b. Auflösungsbandbreite (RBW) * RBW 100 khz VBW 1 MHz Ref 0 dbm * Att 20 db * SWT 35 ms 0-10 Delta 2 [T1 ] 1.81 db MHz Marker 1 [T1 ] dbm MHz A 1 RM * VIEW Korrekte RBW Zu geringe RBW 3DB Center 806 MHz 2 MHz/ Span 20 MHz Die Auflösebandbreite muss mindestens so groß wie die Date: 20.OCT :07:51 Signalbandbreite sein, da ansonsten nur ein Teil des Signals erfasst wird! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.49

50 Typische Signalbandbreiten Funkdienst AM-Rundfunk DRM-Rundfunk UKW-Rundfunk DAB-Radio Signalbandbreite (4.5) 10 khz khz 200 khz 1.5 MHz DVB-T 7.6 MHz (Band IV + V) GSM UMTS LTE TETRA TETRAPOL DECT WLAN (IEEE b/g) WiMAX (IEEE ) 200 khz 4.6 MHz 1,08 / 2,7 / 4,5 / 9,0 / 18,0 MHz 25 khz 10 khz 1 MHz 17 MHz (11g); 20 MHz (11b) variabel ( MHz) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.50

51 c. Summation aller relevanten Immissionen + + Für alle relevanten Frequenzen (> 100 khz) ist die quadratische Summe der prozentualen Grenzwertausschöpfungen zu berechnen. Bleibt das Ergebnis unter 100%, ist der Grenzwert eingehalten. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.51

52 Beispiel korrekte Summation Vorhandene Signale Messwert Grenzwert Prozentuale Grenzwert- Frequenz ([MHz] [V/m] [V/m] ausschöpfung 0, ,3 34,9 % 1,5 5 71,0 7,0 % ,0 21,4 % ,1 69,5 % Obiges Beispiel ergibt: 0,349² + 0,07² + 0,214² + 0,695² = 0,655 (65,5% "leistungsbezogene Grenzwertausschöpfung"). Die "feldstärkebezogene Grenzwertausschöpfung" ergibt sich als Wurzel aus der "leistungs-bezogenen Grenzwertausschöpfung" (Im Beispiel: 80,9% "feldstärkebezogene Grenzwertausschöpfung"). Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.52

53 Feldstärke [V/m] d. Örtliche und zeitliche Maximierung Großskalig örtlich 4 Klein- und großskalig zeitlich Kleinskalig örtlich 3,5 3 2,5 2 1,5 1 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 Uhrzeit Die Immissionen sind örtlich zu maximieren (Schwenkmethode) und zeitlich auf maximale Anlagenauslastung zu extrapolieren. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.53

54 e. Fernfeld und Nahfeld (Definition nach EN 50492) Reaktives Nahfeld Strahlendes Nahfeld Fernfeld Abstandsbereich* < λ λ.5 λ > 5 λ < D D...5 D > 5 D < D²/ 4 λ D²/ 4 λ.0,6 D²/ λ > 0,6 D²/ λ E senkrecht zu H? nein nahezu ja E,H ~ 1/r nein nein ja Z F = E/H 377 Ω 377 Ω = 377 Ω zu messen sind E und H E oder H E oder H *: Maximalwert aus den drei Formeln λ: Wellenlänge D: Maximale Aperturausdehnung Fernfeld Antenne reaktives Nahfeld Fernfeld strahlendes Nahfeld Im Fernfeld (bzw. auch im strahlenden Nahfeld) genügt die Erfassung von E. Im reaktiven Nahfeld sind E und H zu messen. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.54

55 Beispiele für Nahfeld-/Fernfeldgrenzen Antennentyp f λ D D²/4λ 5 λ 5 D 0,6 D²/λ MW Monopolantenne 500 khz 600 m 300 m 37,5 m m m 90 m λ/2-dipol (UKW) 100 MHz 3 m 1,5 m 0,19 m 15 m 7,5 m 0,46 m UKW Antennenfeld 100 MHz 3 m 8 m 5,33 m 15 m 40 m 12,8 m Mobiltelefonantenne 900 MHz 0,33 m 0,04 m 0,12 m 1,65 m 0,2 m 0,29 m Basisstationsantenne GSM MHz 0,33 m 1,3 m 1,28 m 1,65 m 6,5 m 3,07 m Parabolsoiegel (Radar) 3 GHz 0,1 m 10 m 250 m 0,5 m 50 m 600 m Rot: Blau: Grenze strahlendes Nahfeld reaktives Nahfeld Grenze Fernfeld strahlendes Nahfeld Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.55

56 f. Antennen Horn Log-Per Dipol Isotropantenne Es sind für die für den jeweiligen Frequenzbereich geeigneten kalibrierten Antennen (Antennenfaktoren!) zu verwenden. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.56

57 Hauptfragestellung: Korrekte Einstellungen Frequenzbereich ("Span")? ZF-Filterbandbreite ("Resolution Bandwidth", RBW)? Videobandbreite (" Video Bandwidth", VBW)? Detektortyp (Peak oder RMS)? Falls notwendig: Korrekte Hochrechnung auf maximale Sendeleistung? Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.57

58 UKW: Technische Parameter Frequenz: Hüllkurve: Signalbreite: 87,5 108 MHz konstant etwa 200 khz Kanalabstand: 100 khz Modulation: Programme: Polarisation: Zellradius: Leistung: FM 1 pro Kanal typ. horizontal etwa 60 km einige 10 kw (ERP) / Programm Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.58

59 UKW: Signalstruktur im Frequenzbereich B 200 khz Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.59

60 UKW: Messbeispiel Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.60

61 UKW: Einstellungen Frequenzbereich (Span): ZF-Bandbreite (RBW): Videobandbreite (VBW): Detektor: Sweep time: Hochrechnung: 87,5 108 MHz 200 khz RBW RMS oder Peak 100 bis 200 ms nicht erforderlich Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.61

62 DVB-T: Technische Parameter Frequenz: MHz (Band IV und V) Hüllkurve: rauschartig, kontinuierlich Signalbreite: 7,6 MHz Modulation: (C)OFDM Programme: typ. 4 pro Kanal Polarisation: Vertikal oder horizontal Anzahl: Leistung: typisch 5 bis 15 Grundnetzsender pro Bundesland (Deutschland) bis zu mehreren 100 kw (ERP) / Anlage Wendelstein Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.62

63 DVB-T: Signalstruktur im Zeitbereich P max P RMS Crestfaktor ca db: RMS-Detektor notwendig! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.63

64 DVB-T: RMS- und Peak-Erfassung Messwert: -6,2 dbm Messwert: +5,2 dbm Fazit: Die Peak-Erfassung führt zu einer Überbewertung in der Größenordnung des Crestfaktors Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.64

65 DVB-T: Einfluss unterschiedlicher RBW * RBW 1 MHz Marker 3 [T3 ] VBW 10 MHz dbm Ref 20 dbm RM * VIEW 0 2 RM * VIEW -10 Att 50 db * SWT 1 s MHz Marker 1 [T1 ] 2.22 dbm MHz Marker 2 [T2 ] dbm MHz * A Blau: RBW = 10 MHz Schwarz: RBW = 3 MHz Grün: RBW = 1 MHz 3 RM * VIEW PRN RBW < Signalbandbreite führt zu einer Unterschätzung! Korrekturfaktor K zur Kompensation der Unterbewertung: -50 (K 10 log(b Signal / B R ) -60 (Gaussfilter: B R 1,1 B 3dB ) -70 (B Signal = 7,6 MHz) -80 Center 739 MHz 5 MHz/ Span 50 MHz Date: 13.APR :55:28 Fazit: Zu kleine RBW's führen zu einer Unterbewertung! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.65

66 DVB-T: Einstellungen Frequenzbereich (Span): ZF-Bandbreite (RBW): Detektor: Sweep time: Hochrechnung: MHz 8 MHz (ggf. Messung mit kleinerer Bandbreite und Bandbreitenkorrektur oder Kanalleistungsmessung) RMS 100 bis 200 ms nicht erforderlich Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.66

67 DVB-T: Messbeispiel mit SRM-3006 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.67

68 DAB: Technische Parameter Frequenz: Hüllkurve: MHz rauschartig, kontinuierlich Signalbreite: 1,536 MHz Modulation: COFDM Programme: typ. 10 pro Kanal Polarisation: typ. vertikal Leistung: bis zu mehreren kw (ERP) / Kanal Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.68

69 DAB: Signalstruktur im Frequenzbereich * RBW 200 khz Delta 2 [T1 ] * VBW 10 MHz 0.86 db Ref -40 dbm * Att 10 db * SWT 500 ms MHz Marker 1 [T1 ] dbm MHz A 1 RM * VIEW PRN Bandbreite: 1,5 MHz, OFDM-Modulation Center MHz 1 MHz/ Span 10 MHz Date: 13.JAN :18:05 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.69

70 DAB: Einstellungen Frequenzbereich (Span): ZF-Bandbreite (RBW): Detektor: Sweep time: Hochrechnung: MHz 1,5 MHz RMS 100 bis 200 ms nicht erforderlich Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.70

71 Mobilfunk: Frequenzbereiche Quelle: Bundesnetzagentur Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.71

72 GSM: Technische Parameter Frequenzbereich (Downlink): GSM-900: MHz GSM-R: MHz GSM-1800: MHz Kanalbandbreite: 200 khz Das GSM Signal ist in 8 Zeitschlitze von je 577 µs Dauer unterteilt. Für die Versorgung eines Mobiltelefons mit Daten wird mindestens ein Zeitschlitz benötigt (d.h. mit einer Trägerfrequenz können maximal 8 Telefone angesprochen werden). Dies bedeutet, dass zur zufriedenstellenden Versorgung einer Funkzelle meist mehr als ein Frequenzkanal verfügbar sein muss. Die zusätzlichen Kanäle ("Traffic Channels"; TCH's) werden jeweils nach Bedarf zugeschaltet. Damit wird die von der Antenne abgestrahlte Leistung allerdings auslastungsabhängig. Worst case: Alle verfügbaren Frequenzkanäle sind "on air" und alle Zeitschlitze sind belegt. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.72

73 GSM: Signalstruktur im Zeitbereich 1 Erste Frequenz: "Broadcast control channel"(bcch) 0 Der BCCH wird unabhängig von der gegenwärtigen Verkehrsauslastung mit konstanter (maximaler) Leistung gesendet Zeitschlitz 1 Weitere Frequenzen (2,3,4...): "Traffic channels"(tch's) 0 Die TCH werden mit verkehrs- und verbindungsqualitätsabhängiger Leistung gesendet (transmit power control). Manche Zweitschlitze können leer sein Zeitschlitz Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.73

74 GSM: Signalstruktur bei EDGE EDGE-Burst mit 8-PSK RMS-Detektor notwendig! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.74

75 GSM: Prinzip der Hochrechnung TRX 1 HF-Strahlung TRX 2 TRX 3 Σ TRX n GSM- Antenne TRX 1: "Signalisierungskanal ("Broadcast Channel"; BCCH) wird permanent mit maximaler Leistung abgestrahlt. TRX 2...n: "Verkehrskanäle" ("Traffic Channel" TCH): Diese werden nur bei Bedarf mit permanent wechselnder Leistung abgestrahlt. Konsequenz: Maximal abgestrahlte Leistung = n x Leistung von TRX 1. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.75

76 GSM: Veranschaulichung der Hochrechnung sei max. Kanalzahl = 4 sei max. Kanalzahl = 3 rot: aktuell gemessen grün: Hochrechnung sei max. Kanalzahl = 2 BCCH TCH TCH TCH BCCH TCH Funkzelle 1 Funkzelle 2 Funkzelle 3 K K 2 2 1,41 E i,max E i,bcch K i BCCH TCH TCH K 3 3 1,73 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.76 E Summenexposition n 2 total (Ei,BCCH Ki) i 1

77 GSM: Vorgehensweise bei Hochrechnung Frequenzselektive Messung. Messe nur die zeitlich konstanten Signalisierungskanäle (BCCH). Extrapoliere die von den BCCH verursachten Feldstärkewerte auf maximale Leistung mittels der aktuell realisierten oder von der BNetzA genehmigten Kanalzahl (diese Info ist vom Netzbetreiber zu erfragen). Ignoriere alle TCH-Signale. Summiere (grenzwertbezogen) alle extrapolierten BCCH-Feldstärkewerte. P E E E n max, cell max, cell BCCH, cell BCCH, cell cell PBCCH, cell Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.77

78 GSM: Identifizierung der BCCH BCCH-Signale BCCH's liefern einen Peak sowohl im Max als auch im Min trace. TCH's hingegen liefern keinen Peak im Min trace. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.78

79 GSM 900: Kanalliste Kanal Downlink Uplink Kanal Downlink Uplink Kanal Downlink Uplink ,2 880,2 MHz 1 935,2 890,2 MHz ,6 902,6 MHz ,4 880,4 MHz 2 935,4 890,4 MHz ,8 902,8 MHz ,6 880,6 MHz 3 935,6 890,6 MHz ,0 903,0 MHz ,8 880,8 MHz 4 935,8 890,8 MHz ,2 903,2 MHz ,0 881,0 MHz 5 936,0 891,0 MHz n.u ,4 903,4 MHz ,2 881,2 MHz 6 936,2 891,2 MHz ,6 903,6 MHz ,4 881,4 MHz 7 936,4 891,4 MHz ,8 903,8 MHz ,6 881,6 MHz 8 936,6 891,6 MHz ,0 904,0 MHz ,8 881,8 MHz 9 936,8 891,8 MHz ,2 904,2 MHz ,0 882,0 MHz ,0 892,0 MHz ,4 904,4 MHz ,2 882,2 MHz ,2 892,2 MHz ,6 904,6 MHz ,4 882,4 MHz ,4 892,4 MHz ,8 904,8 MHz ,6 882,6 MHz ,6 892,6 MHz ,0 905,0 MHz ,8 882,8 MHz ,8 892,8 MHz ,2 905,2 MHz ,0 883,0 MHz ,0 893,0 MHz ,4 905,4 MHz ,2 883,2 MHz ,2 893,2 MHz ,6 905,6 MHz ,4 883,4 MHz ,4 893,4 MHz ,8 905,8 MHz ,6 883,6 MHz ,6 893,6 MHz ,0 906,0 MHz ,8 883,8 MHz ,8 893,8 MHz ,2 906,2 MHz ,0 884,0 MHz ,0 894,0 MHz ,4 906,4 MHz ,2 884,2 MHz ,2 894,2 MHz ,6 906,6 MHz ,4 884,4 MHz ,4 894,4 MHz ,8 906,8 MHz ,6 884,6 MHz ,6 894,6 MHz ,0 907,0 MHz ,8 884,8 MHz ,8 894,8 MHz ,2 907,2 MHz ,0 885,0 MHz ,0 895,0 MHz ,4 907,4 MHz ,2 885,2 MHz ,2 895,2 MHz ,6 907,6 MHz ,4 885,4 MHz ,4 895,4 MHz ,8 907,8 MHz ,6 885,6 MHz ,6 895,6 MHz ,0 908,0 MHz ,8 885,8 MHz ,8 895,8 MHz ,2 908,2 MHz ,0 886,0 MHz ,0 896,0 MHz ,4 908,4 MHz ,2 886,2 MHz ,2 896,2 MHz ,6 908,6 MHz ,4 886,4 MHz ,4 896,4 MHz ,8 908,8 MHz ,6 886,6 MHz ,6 896,6 MHz ,0 909,0 MHz ,8 886,8 MHz ,8 896,8 MHz ,2 909,2 MHz ,0 887,0 MHz ,0 897,0 MHz ,4 909,4 MHz ,2 887,2 MHz ,2 897,2 MHz ,6 909,6 MHz ,4 887,4 MHz ,4 897,4 MHz ,8 909,8 MHz ,6 887,6 MHz ,6 897,6 MHz ,0 910,0 MHz ,8 887,8 MHz ,8 897,8 MHz ,2 910,2 MHz ,0 888,0 MHz ,0 898,0 MHz ,4 910,4 MHz ,2 888,2 MHz ,2 898,2 MHz ,6 910,6 MHz ,4 888,4 MHz ,4 898,4 MHz ,8 910,8 MHz ,6 888,6 MHz ,6 898,6 MHz ,0 911,0 MHz ,8 888,8 MHz ,8 898,8 MHz ,2 911,2 MHz ,0 889,0 MHz ,0 899,0 MHz ,4 911,4 MHz ,2 889,2 MHz ,2 899,2 MHz ,6 911,6 MHz ,4 889,4 MHz ,4 899,4 MHz ,8 911,8 MHz ,6 889,6 MHz ,6 899,6 MHz ,0 912,0 MHz ,8 889,8 MHz ,8 899,8 MHz ,2 912,2 MHz ,0 890,0 MHz ,0 900,0 MHz ,4 912,4 MHz ,2 900,2 MHz ,6 912,6 MHz ,4 900,4 MHz ,8 912,8 MHz Für eine korrekte Hochrechnung ist die Mitarbeit der Netzbetreiber notwendig. Diese müssen die maximale Kanalzahl pro Sektor und die Kanalbelegung zur Verfügung stellen. Zur Zuordnung der gemessenen Frequenzen zu den Kanälen dient nebenstehende Liste T-Mobile Vodafone E-Plus O2 Messkanäle Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.79

80 GSM: Frequency Hopping BCCH Ref 117 dbµv/m * Att 20 db 1 * RBW 200 khz * VBW 1 MHz SWT 125 ms Marker 1 [T1 ] dbµv/m MHz TCH's 110 A 1 RM * VIEW TDS PRN Center MHz 2.5 MHz/ Programme, die das Spektrum automatisch auswerten, sind bei derartigen Fällen in der Regel überfordert (starke Überbewertung der Exposition Span 25 möglich)! MHz Date: 8.DEC :34:09 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.80

81 GSM: Empfohlene Einstellungen Frequenzbereich (Span): ZF-Bandbreite (RBW): Detektor: Sweep time: MHz (GSM-R, GSM-900) MHz (GSM-1800) 200 khz RMS (bei SRM-3006: VBW=2 khz) 100 bis 200 ms Hochrechnung: Messung der BCCH-Signale + Hochrechnung auf aktuell vorhandene oder genehmigte Kanalzahlen Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.81

82 TETRA BOS: Technische Parameter Frequenzbereich: Signalstruktur: Rahmendauer: Modulation: Signalbandbreite: Frequenzkanäle: MHz (DL) 4 Zeitschlitze / Rahmen 56,7 ms (17,6 Hz), d.h. 14,2 ms / Zeitschlitz π/4-dqpsk 25 khz 1 MCCH-Träger mit konst. Sendeleistung und ggf. weitere TCH Foto: dpa Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.82

83 TETRA BOS: Signalverlauf (MCCH) Ref -20 dbm -20 Att 10 db RBW 30 khz VBW 100 khz SWT 100 ms 1 AP CLRWR A SGL PRN DB Center MHz 10 ms/ Date: 9.OCT :49:06 Crestfaktor ca. 3 db: RMS-Detektor notwendig! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.83

84 TETRA BOS: Hochrechnung Frequenzselektive Messung. Messe nur die zeitlich konstanten Signalisierungskanäle (MCCH = Main Control Channel). Extrapoliere die von den MCCH verursachten Feldstärkewerte auf maximale Leistung mittels der aktuell realisierten oder von der BNetzA genehmigten Kanalzahl (Diese Info ist vom Netzbetreiber zu erfragen). Im Gegensatz zu GSM ist auf den übrigen Verkehrskanälen (TCH) KEINE Leistungsregelung vorhanden. Summiere (grenzwertbezogen) alle extrapolierten MCCH-Feldstärkewerte. P E E E n max, cell max, cell MCCH, cell MCCH, cell cell PMCCH, cell Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.84

85 TETRA BOS: Einstellungen Frequenzbereich (Span): ZF-Bandbreite (RBW): Detektor: Sweep time: MHz 30 khz RMS (bei SRM-3006: VBW=300 Hz) 100 bis 200 ms Hochrechnung: Messung der MCCH-Signale + Hochrechnung auf aktuell vorhandene oder genehmigte Kanalzahlen Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.85

86 UMTS: Technische Parameter Frequenzbereich: Signalstruktur: Zugriffsverfahren: Modulation: (HSDPA) Signalbandbreite: Kanalbandbreite: Frequenzkanäle: MHz rauschartig, kontinuierlich W-CDMA QPSK, 16-QAM, 64-QAM 4,6 MHz 5 MHz Gleichwellennetz Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.86

87 UMTS: Derzeitige Frequenzbelegung Frequency [MHz] Betreiber Vodafone Vodafone Vodafone E-Plus E-Plus E-Plus E-Plus Telefónica O Telefónica O Telefónica O Telekom Telekom Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.87

88 UMTS: Spektrale Überblicksmessung Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.88

89 UMTS: Prinzip der Kanalbildung Scramblingcode 178 Scramblingcode 298 P-CPICH Spreizcode 0 Scramblingcode m Signalisierung Spreizcode 1 Scramblingcode m Signalisierung Spreizcode n-1 Scramblingcode m Σ Zum HF-Modulator Scramblingcode 155 Nutzdaten Nutzdaten Spreizcode n Scramblingcode m Jede Zelle hat einen eindeutigen Scramblingcode Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.89

90 UMTS: Codeselektive Messung Bei diesem Verfahren wird selektiv die Feldstärke, verursacht durch das P-CPICH-Signal jeder Zelle (Pilotsignal, Unterscheidung durch die individuelle Scramblingcodenummer), gemessen. Anschließend wird eine Hochrechnung auf maximale Leistung für jede Zelle unter Zuhilfenahme eines Hochrechnungsfaktors durchgeführt, der sich aus dem prozentualen Anteil der P-CPICH-Leistung an der Gesamtleistung der Zelle (typisch 10 %, beim Netzbetreiber erfragen) ergibt. Frequenzselektive Messungen bei UMTS sind aufgrund der hohen Unsicherheiten (unbekannte Zellauslastung) NICHT mehr zu empfehlen! E E max, cell CPICH, cell P P max, cell CPICH, cell Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.90

91 UMTS: Codeselektives Messbeispiel Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.91

92 LTE: Technische Parameter Frequenzbereich: Hüllkurve: Zugriffsverfahren: Modulation: Signalbandbreite: Kanalbandbreite: Frequenzkanäle: MHz (LTE-800) ,5 MHz (LTE-1800) MHz (LTE-2600) rauschartig, gepulst (wenig Verkehr); kontinuierlich (max. Verkehr) OFDMA, 15 khz Trägerabstand QPSK, 16-QAM, 64-QAM 1,08 18 MHz 1,4 20 MHz Gleichwellennetz Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.92

93 Mobilfunk: Frequenzbereiche bis 2017 Quelle: Bundesnetzagentur Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.93

94 Mobilfunk: Frequenzbereiche ab 2017 Quelle: Bundesnetzagentur Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.94

95 LTE: Signalstruktur im Frequenzbereich * RBW 30 khz VBW 300 khz Ref -20 dbm Att 10 db * SWT 100 ms Delta 2 [T1 ] 2.15 db MHz Marker 1 [T1 ] dbm GHz A 1 RM * VIEW DB Center GHz 4 MHz/ Span 40 MHz Date: 20.JUL :59:37 breitbandiges Signal Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.95

96 LTE: Signalverläufe im Zeitbereich Streaming ca. 1 MBit/s Streaming ca. 2 MBit/s Volllast RBW 10 MHz Marker 1 [T1 ] RBW 10 MHz Marker 1 [T1 ] RBW 10 MHz Marker 1 [T1 ] * VBW 10 MHz dbµv/m * VBW 10 MHz dbµv/m * VBW 10 MHz dbµv/m Ref 107 dbµv/m * Att 10 db SWT 10 ms µs Ref 107 dbµv/m * Att 10 db SWT 10 ms ms Ref 107 dbµv/m * Att 10 db SWT 10 ms ms 100 B 100 B 100 B 1 RM * 90 CLRWR SGL 1 RM * 90 CLRWR SGL 1 RM * 90 CLRWR SGL 1 80 TDF 80 TDF 80 TDF DB 50 3DB 50 3DB Center 816 MHz 1 ms/ Center 816 MHz 1 ms/ Center 816 MHz 1 ms/ Date: 17.FEB :06:19 Date: 17.FEB :09:51 Date: 17.FEB :14:25 Lücken werden bei steigendem Verkehr aufgefüllt, Zeitverlauf wird zunehmend kontinuierlich Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.96

97 LTE: Signalstruktur im Zeitbereich Ref 0 dbm 0 Att 20 db * RBW 10 MHz VBW 10 MHz SWT 10 ms Marker 1 [T1 ] dbm ms 1 RM * CLRWR A SGL DB Center 806 MHz 1 ms/ Date: 20.OCT :28:33 Pulsstruktur Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.97

98 LTE: Resource Grid FDD, 2-Antennen-MIMO P-SS Primary Synchronization Signal S-SS Secondary Synchronization Signal RS Reference Signal PBCH Physical Broadcast Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PDSCH Physical Downlink Shared Channel Nummer des Unterträgers Slotnummer Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.98

99 LTE: 2-Antennen-MIMO Quelle: Rohde & Schwarz Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.99

100 RS RS RS RS+PDCCH PDCCH RS S-SS P-SS RS+PBCH PBCH PBCH PBCH RS RS+PDCCH PDCCH RS RS RS LTE: Signalstruktur im Zeitbereich; Detail RBW 10 MHz Marker 1 [T1 ] VBW 10 MHz dbm Ref 0 dbm Att 20 db * SWT ms µs 0 1 RM * CLRWR A SGL DB Center 806 MHz µs/ Date: 20.OCT :34:11 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.100

101 LTE: Frequenzselektive Messung * RBW 30 khz VBW 300 khz Ref -20 dbm Att 10 db * SWT 100 ms RM * VIEW Delta 2 [T1 ] 2.15 db MHz Marker 1 [T1 ] dbm GHz A Erfassung der verkehrslastunabhängigen Signale, die mit konstanter Leistung gesendet werden (ca. 1 MHz in der Bandmitte): DB P-SS S-SS Primary Synchronization Signal Secondary Synchronization Signal PBCH Physical Broadcast Channel Center GHz 4 MHz/ Span 40 MHz Expositionsmessung der Signale über 1 MHz in der Bandmitte und Extrapolation auf die maximale LTE-Bandbreite Date: 20.JUL :59:37 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.101

102 Extrapolation bei spektraler Messung P-SS Primary Synchronization Signal S-SS Secondary Synchronization Signal RS Reference Signal PBCH Physical Broadcast Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PDSCH Physical Downlink Shared Channel MHz Number of sub-carrier Slot number P-SS, S-SS, RS und PBCH werden mit konstanter Sendeleistung gesendet P-SS, S-SS und PBCH belegen ca. 1 MHz in Kanalmitte Maxhold-Messung mit RBW=1 MHz und anschließender Hochrechnung auf Signalbandbreite Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.102

103 LTE: Codeselektive Messung Bei diesem Verfahren wird selektiv die Feldstärke, verursacht durch das RS-Signal jeder Zelle (Reference Signal, Unterscheidung durch zellspezifische Codierung), gemessen. Bei MIMO muss das RS-Signal für beide MIMO-Pfade gemessen werden Anschließend wird eine Hochrechnung auf maximale Leistung für jede Zelle unter Zuhilfenahme eines Hochrechnungsfaktors durchgeführt, der sich aus dem prozentualen Anteil der RS-Leistung an der Gesamtleistung der Zelle (beim Netzbetreiber erfragen) ergibt. Frequenzselektive Messungen bei LTE sind aufgrund der hohen Unsicherheiten (unterschiedliche Abstrahlung der dominierenden P-SS, S-SS von den beiden Antennenebenen) NICHT mehr zu empfehlen! E E max, cell RS 0/1, cell P P max, cell RS 0/1, cell Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.103

104 LTE Codeselektives Messbeispiel P-SS, S-SS und RS (Reference Signal) sind individuell für jeden Sektor der BS codiert bei MIMO muss das RS-Signal für beide MIMO-Pfade gemessen werden Sektor 1: Cell ID 261 Sektor 3: Cell ID 263 Sektor 2: Cell ID 262 Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.104

105 DECT: Technische Parameter Frequenzbereich: Kanalzahl: Kanalabstand: Maximale Sendeleistung: Duplexverfahren: Periodendauer: Modulationsart: MHz 10 (Kanalsuche automatisch) khz 250 mw (Pulsleistung!) TDD (Time Division Duplex) 10 ms GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) Viele Basisstationen senden permanent HF-Impulse Der DECT-Standard unterstützt theoretisch bis zu 12 Mobilteile pro BTS In Deutschland verkaufte Geräte unterstützen typ. nur 6 Mobilteile pro BTS. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.105

106 DECT: Rahmenstruktur Quelle: ARC Seibersdorf Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.106

107 DECT: Signalstruktur bei Verbindung Periode: 10 ms Pulsdauer: 368 µs Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.107

108 Bestimmung der mittleren Immission bei gepulster HF E RMS E Puls T S E RMS : RMS Feldstärke S mittel : Mittlere Leistungsflussdichte E Puls : Pulsfeldstärke S Puls : Leistungsflussdichte im Puls T: Periodendauer : Pulsdauer S mittel Puls T U RMS Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.108

109 DECT: Konsequenzen aus Pulsung Periodendauer T: immer 10 ms Pulsdauer der Basisstation bei "normaler Gesprächsverbindung": 368 µs bei gleichzeitigem Abwickeln von n Verbindungen: n 368 µs im Bereitschaftsmode: 83 µs bei "extremer" Datenübertragung: 8,46 ms (23 von 24 Zeitschlitze für den Downlink) Reduktionsfaktor zur Ermittlung der mittleren Leistung aus der gemessenen Peakleistung: K [db] = 10 log (Pulsdauer/Periodendauer) "normale" Gesprächsverbindung (n = 1): Bereitschaftsmode: "Extreme" Datenübertragung (n = 23): K = -14,3 db K = -20,8 db (Minimalexposition) K = -0,7 db (Maximalexposition) Zur Bestimmung der Exposition nach ICNIRP ist also die gemessene Peakfeldstärke [dbµv/m] um den Faktor K [db] zu verringern. Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.109

110 DECT: Einstellungen Grundprinzip: Frequenzbereich (Span): ZF-Bandbreite (RBW): Detektor: Sweep time: Auswertung: Messe die Feldstärke, die durch den Sendeimpuls erzeugt wird. Anschließend Korrektur wegen gepulster Abstrahlung MHz (1) 2 MHz Peak 100 bis 200 ms Die mittlere Immission ergibt sich aus der Pulsfeldstärke durch Anwendung eines Reduktionsfaktors (-14,3 db bzw. -20,8 db). Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.110

111 WLAN: Technische Parameter Standard a b g h Max. Datenrate 54 Mbit/s 11 Mbit/s 54 Mbit/s 54 Mbit/s Modulation OFDM DSSS DSSS / OFDM OFDM Frequenzbereich (Deutschland) 5,15-5,35 GHz 2,4-2,4835 GHz 2,4-2,4835 GHz 5,15-5,35 GHz 5,47-5,73 GHz Signalbandbreite 16,6 MHz 20 MHz 16,6 / 20 MHz 16,6 MHz Duplexverfahren Time Division Duplex (TDD) Maximale Leistung (EIRP) 30 mw 100 mw 100 mw 200 mw (Indoor) 1 W (Outdoor) Anmerkungen Nur Indoor - Abwärts kompatibel mit b Automatische Leistungsregelung (TPC) und Kanalwahl (DFS) Reichweite Einige 10 m (Indoor) bzw. einige 100 m (Outdoor) DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.111

112 WLAN: Signalanordnung im 2,4 GHz Band Quelle: ARC Seibersdorf Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.112

113 WLAN: Signalstruktur im Frequenzbereich Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.113

114 WLAN: Signalstruktur im Zeitbereich (Beacon) Signal besitzt nennenswerten Crestfaktor! Pulsdauer: Hier ca. 0,25 ms (Kann aber auch größer sein; z.b. 1 2 ms) Periodendauer: 100 ms Tastverhältnis ("Duty Cycle"): Hier: 400:1 Korrekturfaktor für mittlere Feldstärke ("minimale Exposition"): Hier: K = -26 db RMS-Detektion notwendig! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.114

115 WLAN: Beacon mit Antwort vom Client Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.115

116 WLAN: Signalverlauf bei 50 % Duty Cycle Entsteht bei einer Übertragung unter Volllast von Client 1 über den Accesspoint zu Client 2. Tastverhältnis: 2:1 Korrekturfaktor für mittlere Immission: K = -3 db Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.116

117 WLAN: Signalverlauf bei max. Duty Cycle Entsteht bei einer Übertragung unter Volllast von Client 1 leitungsgebunden zum Accesspoint und von dort drahtlos zu Client 2. Tastverhältnis: 1,11:1 (90%) Korrekturfaktor für die theoretisch größte mittlere Immission: K = -0,5 db Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.117

118 WLAN: Einstellungen Grundprinzip: RBW: Detektor: Bereich: Sweep time: Messe die Feldstärke, die durch die Beaconimpulse erzeugt wird. Anschließend Extrapolation auf maximale Anlagenauslastung 20 MHz RMS Messung im Zeitbereich!! (langsamer Aufbau des Spektrums) 100 bis 200 ms Minimalexposition: Messwert [dbµv/m] - 10 log (Periodendauer/Beacondauer) Maximalexpo.: Messwert [dbµv/m] - 0,5 db Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.118

119 5. Typische Messergebnisse und Einflussfaktoren für die Immission (BS) Feldmessungen im Umfeld von LTE-Mobilfunksendeanlagen (Studie IMST GmbH für das Landesamt für Umwelt und Verbraucherschutz NRW, ) Bestimmung der Exposition der allgemeinen Bevölkerung durch neue Mobilfunktechniken (Studie IMST GmbH für das BfS, ) LTE auf dem Prüfstand - Bundesweite Mobilfunk- Messreihe (Studie IMST GmbH für das IZMF, 2012) Abschätzung der Exposition der Bevölkerung durch LTE- Sendeanlagen (Pilotstudie IMST GmbH für das IZMF, 2010) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.119

120 Anzahl Messpunkte Messergebnisse (IZMF-Studie) Elektrische Feldstärke [% vom Grenzwert] LTE Median LTE: 0,5 V/m (1,0 % GW) GSM/UMTS: 0,7 V/m (1,5 % GW) Mofu gesamt: 0,8 V/m (1,9 % GW) GSM/UMTS Gesamt-Mobilfunk Maximalwerte LTE: 7,9 V/m (13,5 % GW) GSM/UMTS: 10,4 V/m (17,1 % GW) Mofu gesamt: 13,1 V/m (21,8 % GW) Leistungsflussdichte [% vom Grenzwert] Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.120

121 Elektrische Feldstärke [V/m] 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0, :30 17:30 19:30 21:30 23:30 01:30 03:30 05:30 07:30 09:30 11:30 13:30 15:30 Welche Szenarien wurden untersucht? x x x x x x Wie verhalten sich die Immissionen bei verschiedenen Abständen zur Anlage? Wie verteilen sich die Immissionen in einem gegenüberliegenden Gebäude über verschiedene Stockwerke? x x Wie verteilen sich die Immissionen unter der Anlage in verschiedenen Stockwerken? Uhrzeit x Wie groß sind tageszeitliche Schwankungen der Momentanimmission? Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.121

122 Elektrische Feldstärke [V/m] Abstandsverlauf (LANUV-Studie) 1,8 1, , ,2 x x x x ,0 Geobasisdaten der Kommunen und des Landes NRW Geobasis NRW, ,8 0,6 0,4 0,2 0, Abstand [m] Im Nahbereich ist der Abstand kein geeignetes Kriterium zur Abschätzung der Immissionen! Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.122

123 Erklärung des Abstandsverlaufs Nebenstrahlungsrichtungen Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.123

124 Höhe [m] Höhenabhängigkeit (LANUV-Studie) 35,0 30,0 25,0 x x x x 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Elektrische Feldstärke [V/m] Immissionsabnahme in Richtung Erdgeschoss Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.124

125 Elektrische Feldstärke [% vom Grenzwert] Außenmesspunkt 200 m entfernt Dämpfung durch Gebäude (IZMF-Studie) 3,16 1,00 0,32 0,10 0,03 0,01 0,1 0,01 0,001 0,0001 0, , , ,003 0,1 70 0, , , , , , Leistungsflussdichte [% vom Grenzwert] x x x x 0, , OG 9. OG 7. OG 5. OG 3. OG 2. OG Boden 0, Immissionsabnahme Richtung Erdgeschoss durch Deckendämpfung; Messwert an dem 200 m entfernten Außenmesspunkt am größten Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.125

126 Elektrische Feldstärke [V/m] Langzeitmessungen (IZMF-Studie) 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 Rege Nutzeraktivität Keine Nutzeraktivität LTE-Immission 0 15:30 17:30 19:30 21:30 23:30 01:30 03:30 05:30 07:30 09:30 11:30 13:30 15:30 Uhrzeit Immissionen unterliegen tageszeitlichen Schwankungen Größte Nutzeraktivität am späten Nachmittag / Abend 380 m Abstand zur Anlage Sichtverbindung LTE-800 Anlage (Dig. Dividende) Alle 30 Sekunden ein Messwert (Momentanwert!) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.126

127 Elektrische Feldstärke [% vom Grenzwert] LTE-Immissionen im Vergleich zu GSM/UMTS (IZMF-Studie, Beispiel Berlin) 20 4, LTE GSM/UMTS Standort Mobilfunk gesamt Standort 3,24 2,56 1,96 1,44 1,00 0,64 0,36 0,16 0,04 Leistungsflussdichte [% vom Grenzwert] 0 Außen-MP, 29 m Außen-MP, 86 m Außen-MP, 141 m Außen-MP, 175 m Außen-MP, 243 m Außen-MP, 269 m 0,00 Wellenausbreitung von LTE- und GSM-/UMTS-Feldern vergleichbar Derzeit sind die LTE-Immissionen an der Mehrzahl der MP geringer An den untersuchten Standorten ca. 40 % Immissionszuwachs durch LTE (zum Vergleich: BfS-Studie 37 %, LANUV-Studie 27 %) Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.127

128 Immissionsvergleich Basisstation - Endgerät (LANUV-Studie) Abstandsmessung Azimutale Drehung Notebook mit LTE-Surfstick Im Mittel werden in Abständen von 2-3 m vom Endgerät vergleichbare Immissionen erreicht wie im Umfeld von Basisstationen Bei kürzeren Abständen überwiegen die Immissionen vom Endgerät Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.128

129 GSM-/UMTS-BS Mobiltelefone (SAR) TV-Sender UKW+DAB Radio LMK Radio WLAN indoor WLAN outdoor WiMAX unlizenziert WiMAX lizenziert LTE-BS DECT Leistungsflussdichte [% vom Grenzwert] Immissionsquellen im Vergleich 100 Körperkontakt 10 Körperkontakt 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0, , Funkdienst Median Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.129

130 Messreihe IZMF 2015 Untersuchung Zusammenhang Sendeleistung Handy und Versorgungsqualität Sendeleistung Handy: Messung SAR am Kunstkopf Versorgungsqualität: Messung BCCH-Pegel der versorgenden Basisstation Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.130

131 BCCH-Pegel [mv/m] Ergebnisse 400 SAR-Wert in Abhängigkeit vom Versorgungspegel 0, , , ,3 0,25 0,2 0,15 SAR-Wert [W/kg] 100 0,1 50 0,05 0 MP10: m MP9: 899 m MP4: m MP2: 841 m MP3: m MP6: m MP5: m MP1: 86 m MP7: 603 m MP8: 403 m 0 Messpunkt bei schlechter Versorgung regelt Handy Sendeleistung hoch da Handy Hauptquelle der persönlichen Exposition, ist ein gut ausgebautes Mobilfunknetz eine Maßnahme zur Minimierung der Gesamtimmission Dr. Chr. Bornkessel SS2017 Folie II.131