Normgerechte Feldstärkemessungen in der Umgebung von GSM- und UMTS- Mobilfunkbasisstationen

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1 Normgerechte Feldstärkemessungen in der Umgebung von GSM- und UMTS- Mobilfunkbasisstationen Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek Fachhochschule Edlmairstr Tel /501 Fax Carlstr Regensburg Tel Mobil matthias.wuschek@t-online.de Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 0

2 Allgemeines Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 1

3 HF-Immissionsmessungen Grundsätzlich lassen sich Hochfrequenz-Immissionsmessungen je nach Aufgabenstellung in folgende Hauptkategorien einteilen: 1. Messungen zur Festlegung von Sicherheitsbereichen in der unmittelbaren Nähe felderzeugender Anlagen. 2. Messungen zur Überprüfung der Einhaltung verschärfter Grenzwerte für ausgewählte Bereiche. 3. Messungen an repräsentativen Orten bzw. "empfindlichen" Einrichtungen (z.b. Schulen, Kindergärten, Krankenhäuser), die sich in der Umgebung von Sendeanlagen befinden. 4. Messungen an statistisch ausgewählten Punkten, um eine Aussage über durchschnittliche Immissionswerte bzw. die Verteilung auf verschiedene Verursachergruppen (z.b. Tonrundfunk, TV, Mobilfunk) in einer Region zu erhalten. 5. Langzeitmessungen zur Ermittlung von Immissionsschwankungen z.b. durch lastabhängige Leistungsabgabe bei Mobilfunksendern. Unter Umständen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Messeinrichtungen und die Messgenauigkeit Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 2

4 Grundbedingungen Die Messungen werden von erfahrenem Personal normgerecht mit kalibrierten Geräten durchgeführt. Die bei jeder Messung vorhandene Messunsicherheit wird geeignet berücksichtigt. Am Messort wird durch geeignetes Ausrichten der Messantenne jeweils der dort vorhandene Größtwert der Feldstärke gesucht und aufgezeichnet. Die gemessenen Feldstärkewerte werden auf die größtmögliche Immission bei Maximalauslastung bzw. Maximalausbau der Anlage hochgerechnet. Zusätzlich: Die Messergebnisse werden in einem allgemeinverständlichen Bericht dargestellt. Die Kosten für die Messungen sollen in einem erträglichen Rahmen bleiben. Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 3

5 Vergleich: Beitband - Selektivmessung Breitbandige Messung: Einfach (Material und Zeit) Hochrechnung auf maximalen Betriebszustand schwierig Pegelabhängige Fehlbewertung bei modulierten Signalen möglich keine Frequenzinfo! Selektive Messung: Größerer Aufwand (Material und Zeit) Hochrechnung auf maximalen Betriebszustand bei GSM einfach, bei UMTS machbar Genauest mögliche Messung Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 4

6 Messungen bei GSM- Mobilfunkbasisstationen Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 5

7 Hauptprobleme bei der Messung der Felder des GSM-Mobilfunks Räumliche Feldstärkeschwankungen (Interferenzen, Abschirmung, Polarisation) zeitliche Feldstärkeschwankungen (Gesprächsauslastung) Hochrechnen auf maximalen Betriebszustand Frequency-hopping Konstruktive Unterstützung durch die Netzbetreiber (Info über aktuelle Frequenzen, Kanalzahl, evtl. aktiviertes Frequencyhopping) ist unabdingbar. Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 6

8 Schmalbandmessung mit Antenne und Messempfänger/Spektrumanalysator Messbandbreite: 200 (300/100) khz Detektor: RMS (Peak m. E. möglich) Vorsicht bei Peak-Detektor und steilflankigen Kanalfiltern! Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 7

9 300 khz-standardfilter im Vergleich zum 100 khz- Standardfilter bzw. einem 200 khz-kanalfilter Frequenz Dämpfung FSH khz FSH khz Delta FSP (200 khz) Delta 930 MHz 0 97,2 98,7 1,5 98,82 0, ,2 88,7 1,5 88,64-0, ,1 78,6 1,5 78,58-0, MHz 0 97,9 99,4 1,5 99,55 0, ,5 88,9 1,4 89,10 0, ,5 78,9 1,4 79,03 0, MHz 0 98,2 99,7 1,5 99,66-0, ,7 89,2 1,5 89,34 0, ,7 79,2 1,5 79,38 0, MHz 0 99,0 100,3 1,3 100,50 0, ,2 90,5 1,3 90,72 0, ,2 80,5 1,3 80,73 0, MHz 0 98,7 100,0 1,3 100,16 0, ,0 90,4 1,4 90,53 0, ,9 80,3 1,4 80,41 0, MHz 0 98,5 99,9 1,4 99,93 0, ,6 90,0 1,4 90,03 0, ,6 80,0 1,4 79,90-0,10 Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 8

10 Schmalbandmessung: Unsicherheitsbeiträge Messantenne Messkabel Spektrumanalysator Fehlanpassung Fehlanpassung Quelle: METAS Beiträge zur Messunsicherheit : Messantenne Messkabel Empfänger Fehlanpassungen Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 9

11 Messunsicherheit bei EMVU-Messungen im Frequenzbereich des GSM-Mobilfunks Komponente Einflussfaktor Spezifizierte Unsicherheit Verteilung Divisor Standardunsi- in db cherheit in db Empfänger Frequenzgang 0,5 Normal 2 0,25 Empfänger Eingangsdämpfungsglied 0,1 Normal 2 0,05 Empfänger Auflösebandbreite 0,05 Normal 2 0,03 Empfänger ZF-Verstärker 0,5 Normal 2 0,25 Empfänger Temperaturgang (geschätzt) 1,0 Rechteck 1,73 0,58 Empfänger Modulationsabhängigkeit (geschätzt) 0,5 Rechteck 1,73 0,29 Empfänger Ablesegenauigkeit 0,05 Rechteck 1,73 0,03 Antennenkabel Absolutkalibration 0,2 Normal 2 0,10 Antennenkabel Interpolation der Dämpfungswerte 0,1 Rechteck 1,73 0,06 Antenne Absolutkalibration Antennenfaktor 1,0 Normal 2 0,50 Antenne Interpolation Antennenfaktor 0,1 Rechteck 1,73 0,06 Fehlanpassung Antenne - Spektrumanalysator (total) 0,8 U-förmig 1,41 0,57 Messprozedur Begrenzte Reproduzierbarkeit 2,3 Normal 2 1,15 Wurzel aus Quadratsumme: 1,57 Erweiterungsfaktor: 1,64 Erweiterte Messunsicherheit in db: 2,57 Erweiterte Messunsicherheit in %: 34,4 Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 10

12 Pegelschwankung bei Mehrwegeausbreitung Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 11

13 Messmethoden für Schmalbandmessung (Nach alter NIS-Messempfehlung, Schweiz) Schwenkmethode Drehmethode Punktrastermethode (3-Komponenten-Messung) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 12

14 Manuelle Maximumsuche im Messvolumen ( Schwenkmethode ) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 13

15 Idee der Schwenkmethode Software mit Maximumthermometer für jede BCCH-Frequenz Quelle: METAS Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 14

16 Drehmethode Messung in unterschiedlichen Höhen notwendig z.b. 3 Höhen Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 15

17 Bestimmung der Ersatzfeldstärke (3-Komponenten- Messung); Punktrastermethode Messung an vielen Punkten und in unterschiedlichen Höhen notwendig z.b. mindestens 20 Punkte Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 16

18 Punktrastermethode: Messpunktraster nach pren Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 17

19 Hochrechnen auf maximalen Betriebszustand Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 18

20 Hochrechnungsfaktor K i BCCH TCH TCH TCH BCCH TCH BCCH TCH TCH Funkzelle 1 Funkzelle 2 Funkzelle 3 K 1 = 4 = 2 K 2 = 2 =1.41 K 3 = 3 = 1.73 Quelle: METAS Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 19

21 GSM: Hochrechnung (1 Sektor) Gemessener Signalpegel (Beispielwert) Umrechnung in dbµv (an 50 Ohm) Messwert in dbµv -23 dbm +107 db 84 dbµv Umrechnung in Feldstärke: Antennenfaktor (Beispielwert) Kabeldämpfung (Beispielwert) 28 db/m 2 db Messunsicherheit Gemessene Feldstärke in dbµv/m Zuschlagsfaktor bei vorhandener Leistungsreduzierung (z.b. Sektor um 4 db gegenüber der maximal möglichen Ausgangsleistung reduziert) Hochrechnung auf die von der RegTP genehmigte Kanalzahl n (z.b. n = 4; 10 log n = 6 db) Feldstärke bei höchster betrieblicher Anlagenauslastung Umrechnung in V/m Grenzwert nach 26. BImSchV (GSM 900) 3 db 117 dbµv/m 4 db 6 db 127 dbµv/m 2,24 V/m 42 V/m Prozent vom Grenzwert 5,33 % Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 20

22 Summenformel (thermische Wirkungen) I Summe 1MHz E = f + f c 2 300GHz E E = 100kHz f = 1MHz G, f f 2 E f : Feldstärke der Einzelimmission bei der Frequenz f c: 87 V/m /f 1/2 E G, f : für die Einzelimmission bei der Frequenz f gültiger Grenzwert I Summe : wirksame Gesamtimmission (Summenwert) Für den Frequenzbereich unter 10 MHz (also bei Immissionen durch LMK-Sender) müssen die Grenzwerte aus der EU-Ratsempfehlung entnommen werden, da die 26. BImSchV hierfür bisher noch keine Grenzwerte angibt. Für die magnetischen Felder gilt eine analoge Formel. Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 21

23 Schmalbandmessung: Hochrechnung auf höchste betriebliche Anlagenauslastung (Beispiel) Hochgerechnet auf genehmigte Kanalzahl Livemessung 7 Prozent vom Grenzwert a 1b a 12b a 15b Messpunkt Nr. Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 22

24 Messfehler bei Vorhandensein von Frequencyhopping 1 BCCH + 7 TCH?? Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 23

25 Informationen vom Netzbetreiber (Beispiel) Sehr geehrter Herr Wuschek, Die von Ihnen gewünschten Informationen zum Standort XXXXXX sind wie folgt: Sektor A: BCCH: 80 TCH: 2,7,12,74,105,111,117 Beantragte Anzahl der Kanäle pro Zelle: 4 Anzahl der genutzten Kanäle pro Zelle: 2 Sektor B: BCCH: 70 TCH: 52,57,62,68,72,74,79 Beantragte Anzahl der Kanäle pro Zelle: 4 Anzahl der genutzten Kanäle pro Zelle: 2 Sektor C: BCCH: 61 TCH: 52,57,59,63,65,71,76 Beantragte Anzahl der Kanäle pro Zelle: 4 Anzahl der genutzten Kanäle pro Zelle: 2 Mit freundlichen Grüßen Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 24

26 Messungen bei UMTS- Mobilfunkbasisstationen Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 25

27 Was muss angesprochen werden? - Für die Bestimmung der Immissionen wichtige technische Daten des UMTS-Mobilfunks - Grundsätzliche Messverfahren - Mindestanforderungen an Messgeräte - Beispiele für geeignete Messgeräte - Ausblick in die Zukunft Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 26

28 UMTS: FDD- und TDD-Mode FDD-Mode (frequency division duplex): Trennung von Uplink und Downlink über unterschiedliche Trägerfrequenz (Duplexabstand: 190 MHz) TDD-Mode (time division duplex): Zeitliche Trennung von Uplink und Downlink Vielfachzugriffsverfahren: Frequenzmultiplex (FDMA) Zeitmultiplex (TDMA) Codemultiplex (CDMA) z.b. C-Netz z.b. GSM (TDMA + FDMA) z.b. UMTS (W-CDMA + FDMA im FDD-Mode) (W-CDMA + FDMA + TDMA im TDD-Mode) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 27

29 Frequenzzuweisung UMTS in Deutschland Betreiber FDD-Mode TDD-Mode Vodafone QUAM E-Plus Mobilcom O 2 T-Mobile UL: 1920,3-1930,2 MHz DL: 2110,3-2120,2 MHz UL: 1930,2-1940,1 MHz DL: 2120,2-2130,1 MHz UL: 1940,1-1950,0 MHz DL: 2130,1-2140,0 MHz UL: 1950,0-1959,9 MHz DL: 2140,0-2149,9 MHz UL: 1959,9-1969,8 MHz DL: 2149,9-2159,8 MHz UL: 1969,8-1979,7 MHz DL: 2159,8-2169,7 MHz Wird derzeit aufgebaut 1915,1-1920,1 MHz 1900,1-1905,1 MHz 2019,7-2024,7 MHz 1905,1-1910,1 MHz ,1-1915,1 MHz Kommt später Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 28

30 Unterschied: Signalbandbreite - Kanalbandbreite Signalbandbreite < Kanalbandbreite, d.h. Trägerfrequenz muss nicht unbedingt in der Kanalmitte liegen (In 200 khz- Schritten verschiebbar) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 29

31 Genaue Kanalzuordnung (Beispiel O 2 ) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 30

32 Kanalbildung bei UMTS (Prinzip) Spreizcode 0 Verwürfelungscode Signalisierung Spreizcode: Kanaltrennung Spreizcode 1 Verwürfelungscode Signalisierung Spreizcode (n-1) Verwürfelungscode S zum HF-Modulator Daten Spreizcode n Verwürfelungscode Daten Scramblingcode: BTS-Kennung Für jeden Kanal muss ein anderer Spreizcode verwendet werden. Theoretisch könnte auch für jeden Kanal ein anderer Verwürfelungscode verwendet werden. In den ersten Jahren wird allerdings darauf verzichtet. Es wird zunächst für alle Kanäle einer BTS der gleiche Verwürfelungs-(Scrambling-)code (einer aus 512 verfügbaren primaryscrambling-codes ) benutzt. Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 31

33 Code-domain-Darstellung der einzelnen Kanäle Kanäle einer Basisstation Spreizcode 0 Spreizcode 31 Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 32

34 Aufteilung der Leistung für Signalisierung und Verkehr Verkehr Signalisierung (typ % der Gesamtleistung) Ähnlich wie bei GSM, sind, zusätzlich zu den Datenkanälen, eine Anzahl an Signalisierungskanälen vorhanden, d.h. selbst wenn gerade keine Datenverkehr abgewickelt wird, ist eine bestimmte Menge an Signalleistung im betrachteten Frequenzkanal in der Luft ( Organisationskanäle ; Pilotkanäle ) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 33

35 Die in einem Frequenzkanal messbare Leistung stammt gewöhnlich von mehreren Antennen eines Betreibers Code 22 Anteil von Antenne 1 Anteil von Antenne 2 Code 427 Anteil von weiter entfernten Stationen des gleichen Betreibers Folgerung: Mittels einer spektralen Messung ist nur die Summenimmission pro Frequenzkanal, die am Messpunkt herrscht, feststellbar. Es kann nicht unterschieden werden, welche Antenne wie viel Anteil an der Gesamtimmission liefert. Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 34

36 UMTS-Organisationskanäle UMTS-Organisationskanäle, die permanent gesendet werden: Abkürzung Name Leistung (typ. Bsp.) CPICH: Common pilot channel 33 dbm P-CCPCH: Primary common control physical channel - 5 db unter CPICH S-CCPCH: Secondary common control physical channel - 0 db unter CPICH P-SCH: Primary synchronization channel - 3 db unter CPICH S-SCH: Secondary synchronization channel - 3 db unter CPICH CPICH/S-CCPCH: CW-Signal P-CCPCH: getastet (Tastverhältnis = 90 %) P-SCH/S-SCH: getastet (Tastverhältnis = 10 %; invers zu P-CCPCH) Gesamtleistung eines Frequenzkanals (P max ): typisch 20 Watt CPICH-Leistung: typisch % von P max in Mikrozellen typisch 1-5 % von P max in Pikozellen Einstellgenauigkeit < 0,5 db Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 35

37 Code-domain-Darstellung der Signalisierungskanäle einer Zelle 3 Verkehrskanäle CPICH sitzt immer auf dem Spreizcode 0 DPDCH: Dedicated physical data channel Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 36

38 Zusammenfassung: Für die Immissionsmesstechnik wesentliche Eigenschaften des UMTS-Signals - Bandbreite eines Frequenzkanals: ca. 4,6 MHz - zeitlicher Signalverlauf rauschähnlich mit einem Crestfaktor von ca db (Crestfaktor = Spitzenleistung / Durchschnittsleistung) - Abgestrahlte Sendeleistung und Crestfaktor schwanken mit der momentanen Auslastung der Station - Feldstärkeschwankungen durch Interferenzen (ähnlich wie bei GSM) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 37

39 Korrekte Einstellung des Spektrumanalysators Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 38

40 WCDMA-Signal, gemessen mit verschiedenen Detektoren Ref 0 dbm Att 30 db *RBW 5 MHz *VBW 10 MHz *SWT 100 ms Marker 1 [T1 ] dbm GHz Delta 2 [T2 ] db khz * A 1 PK MAXH 2 RM* VIEW PRN Center GHz 7 MHz/ Blau: Peak-Detektor Schwarz: RMS-Detektor Eingespeist wurde -20 dbm Span 70 MHz Date: 5.OCT :36:01 Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 39

41 WCDMA-Signal, gemessen mit verschiedenen Bandbreiten 1 RM* VIEW 2 RM* VIEW Ref 0 dbm Att 30 db * RBW 1 MHz * VBW 10 MHz *SWT 100 ms Delta 3 [T3 ] db Hz Marker 1 [T1 ] dbm GHz Delta 2 [T2 ] db khz * A 3 RM* MAXH -40 PRN Blau: 5 MHz Schwarz: 3 MHz -100 Center GHz Date: 5.OCT :40:26 7 MHz/ Span 70 MHz Grün: 1 MHz Eingespeist wurde -20 dbm Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 40

42 WCDMA-Signal, gemessen mit verschiedenen Sweepzeiten 1 RM* VIEW Ref 0 dbm Att 30 db * RBW 5 MHz * VBW 10 MHz *SWT 1 s Delta 3 [T3 ] db MHz Marker 1 [T1 ] dbm GHz Delta 2 [T2 ] db MHz * A 2 RM* VIEW 3 RM* MAXH PRN Center GHz 7 MHz/ Span 70 MHz Blau: 2,5 ms Schwarz: 100 ms Grün: 1 sec Eingespeist wurde -20 dbm Date: 5.OCT :34:22 Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 41

43 Hochrechnung auf maximalen Betriebszustand Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 42

44 Messtechnik: Einfaches Verfahren (spektrale Messung) - Geeignet z.b. zum Nachweis der Einhaltung der Grenzwerte nach 26. BImSchV. - Annahme: Kein Datenverkehr zum Zeitpunkt der Messung (d.h. nur die Pilotkanäle on air). Derzeit ist dies meist noch der Normalzustand. - Spektrale Messung (Schwenkmethode; B = 5 MHz; True RMS-Detektor) - Hochrechnung auf maximale Leistung über Korrekturfaktor K Zelle - E max,zelle = K zelle E gemessen - K ² zelle = P max,zelle / (P aller permanenten Signalisierungskanäle ) - Korrektes Ergebnis, wenn zum Zeitpunkt der Messung kein Traffic vorhanden ist. Wenn doch, ist eine Überschätzung der Immission von bis zu typisch 8 db möglich. - Preisgünstiges Verfahren (Nur moderner Spektrumanalysator mit RBW = 5 MHz und True-RMS-Detektor notwendig). - Mitarbeit der Netzbetreiber notwendig (Leistungsangaben) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 43

45 Messtechnik: Genaues Verfahren (Messung der Codekanäle) - Exakte Hochrechnung auf maximale Sendeleistung durch Messung der Leistung des CPICH jeder am Messpunkt einwirkenden Zelle. - Dieses Verfahren sollte im Regelfall angewendet werden. - Hochrechnung auf maximale Leistung über Korrekturfaktor K zelle - E max,zelle = K zelle E gemessen - K² zelle = P max,zelle / P CPICH,Zelle - Resultat unabhängig von momentaner Auslastung der Zelle. - Verfahren kostenintensiver (Spektrumanalysator mit zusätzlicher schneller Code-domain-Messmöglichkeit oder spezielle Auswertesoftware notwendig). - Mitarbeit der Netzbetreiber notwendig. (P CPICH,Zelle und P max,zelle müssen mitgeteilt werden. Bei manchen Geräten muss auch der Scramblingcode jeder Zelle bekannt sein) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 44

46 Mindestanforderung an Messgeräte Einfaches Verfahren: - Messung mit ZF-Bandbreite (RBW) von ca. 5 MHz, da sonst Pegelverlust. - Falls RBW max < 5 MHz: Eventuell ist es möglich, einen geeigneten Korrekturfaktor K B einzurechnen (K B = 4,6 MHz / äquivalente Rauschbandbreite des verwendeten ZF-Filters). (Muss noch genauer untersucht werden, Vorsicht bei Fading!) - Unverzichtbar: True-RMS-Detektor, der in der Lage ist, Signale mit einem Crestfaktor von bis zu etwa 15 db korrekt zu messen. Genaues Verfahren: - Messgerät muss zusätzlich eine Decodierung durchführen können, damit für jede Antenne getrennt die Leistung des CPICH gemessen werden kann. - Will man die Schwenkmethode zur Maximumsuche einsetzen, muss die Decodierung sehr schnell durchgeführt werden (»10 Messungen/sec). Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 45

47 Schmalbandmessung mit Antenne und Messempfänger/Spektrumanalysator z.b. FSP oder ESPI von R & S Messbandbreite: Detektor: UMTS: 5 MHz UMTS: True RMS Für FSP/ESPI ist eine spezielle Software zur Code-domain-Messung verfügbar (RFEX) Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 46

48 Fachhochschule Beispiele für Code-domain-Messgeräte (pn-scanner) Damit Schwenkmethode anwendbar: Messzeit möglichst deutlich unter 1 sec. Messgenauigkeit: ca. 1,5-2 db Hersteller: Anritsu Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek Die Eignung derartiger Geräte für EMVU-Messungen muss noch eingehender geprüft werden 47

49 Was droht in der Zukunft? - Dynamische Veränderung der CPICH-Leistung je nach Verkehrsaufkommen (Vergrößerung/Verkleinerung der Zellgröße) - Adaptive Antennen, ferngesteuerte Strahlabsenkung -... D.h. in Zukunft noch weitere Herausforderungen für die EMVU-Messtechnik Literaturempfehlung: R. Krüger, H. Mellein UMTS-Einführung und Messtechnik Franzis -Verlag ISBN: Prof. Dr.-Ing. M. Wuschek 48