Radiación de Estación Base PCS-GSM Por Walter Grote H.([email protected]) y Ricardo Olivares V.([email protected]) Departamento de Electrónica – Universidad Técnica Federico Santa María. RESUMEN En Enero 2001 se instaló una estación base de PCS con tecnología GSM en el Campus Santiago de la UTFSM. Como es natural, tanto alumnos como vecinos del sector pueden estar preocupados por los efectos que podría tener la radiación de señales de radiofrecuencia sobre la salud de las personas en el entorno cercano al campo radiante de la antena. En este trabajo se describen las consideraciones tanto teóricas como prácticas de un trabajo orientado a determinar la densidad de potencia esperada y medida en forma experimental, al interior del campus universitario. 1. INTRODUCCION La telefonía celular ha adquirido popularidad debido a la libertad, movilidad, y la productividad realzada que provee. La gente ya no debe permanecer atada a teléfonos fijos para atender negocios, clientes, colegas, establecer relaciones y delinear perspectivas. A su vez, el servicio telefónico celular ha servido de base para el desarrollo de los Servicios de Comunicaciones Personales PCS (Personal Communication System). La cobertura geográfica de un servicio de comunicaciones personal permite que el usuario pueda generar y recibir mensajes en todo instante, lo que implica instalar estaciones base, con sus respectivas antenas, en aquellos lugares en que se desee entregar un buen servicio. Sin embargo, en los últimos meses se ha despertado una controversia en torno a que las radiaciones de los equipos celulares pueden producir daños a la salud de las personas, lo que ha generado un rechazo a la instalación de antenas de estaciones base en diversos sectores donde trabajan y viven muchos de los usuarios que hacen uso de los servicios de esta tecnología. En este informe se describen las consideraciones tanto teóricas como prácticas de un estudio orientado a determinar la intensidad de potencia esperada y medida en forma experimental en las inmediaciones de una antena de una estación base de tecnología GSM (Significado original: Group Special Mobile, actualmente Global System for Mobile Communications) instalada en el Campus Santiago de la UTFSM. El informe se ha organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se analizan los aspectos relevantes de la tecnología GSM, en la sección 3 se establecen los puntos de medición en el Campus y las densidades de potencia medidas, y las potencias que deberían registrarse en diversos lugares del Campus, de acuerdo a un análisis teórico. En la sección 4 se hace un análisis de los resultados obtenidos, comentándose la validez de los mismos, junto con establecer una comparación entre los valores máximos de densidad de potencia estipulados por la Subsecretaría de Telecomunicaciones, los máximos teóricos esperados y los medidos. Finalmente, en la sección 5, se extraen conclusiones acerca de los resultados obtenidos y de la metodología empleada en este trabajo. 2. LA TECNOLOGÍA GSM La tecnología GSM se gestó durante los años 1980 – 1989 con el objetivo de fijar una norma digital única para Europa. En 1995 comenzó a operar en Estados Unidos, Canadá y Chile (ENTEL PCS). GSM cuenta con alrededor de 70 millones de suscriptores a nivel mundial, [Zen99]. Al igual que cualquier sistema de comunicaciones móviles basado en el concepto celular, GSM considera 3 elementos básicos en la comunicación [Rap96]: el terminal móvil (MS: Mobile Station), el subsistema de estación base (BSS: Base Station Subsystem) y el subsistema de red (NSS: Network and Switching Subsystem). Para el análisis que se realiza en este trabajo, sólo es de interés la BSS. La BSS consta de dos partes funcionales, los transceptores de la estación base (BTS: Base Transceiver Subsystem), que manipulan los protocolos de enlaces de radio con la MS, y el Controlador de Estación Base (BSC: Base Station Controller). El BSC administra los recursos de radio para uno o más BTS's y convierte los 13 [kb/s] del canal de voz usados en el enlace de radio a los 64 [kb/s] usados en la red de conmutación telefónica pública, [Pee00], [Rey98]. El estándar GSM opera en diferentes bandas de frecuencias [Rap96], siendo la relevante para el entorno chileno la que se entrega en la Tabla 1: Uplink, [MHz] Downlink, [MHz] Separación, [MHz] [1850 – 1910] [1930 – 1990] 80 Tabla 1: “Bandas de frecuencias asignadas a GSM” En GSM, se utiliza TDMA (Time División Multiple Access), implementada en múltiples sub-bandas de frecuencia TDMA/FDMA (Frecuency División Multiple Access). Las bandas de subida (Uplink: desde el móvil a la estación base) y de bajada (Downlink: desde la estación base a los móviles), que es la que interesa en este caso. Como se desprende de la Tabla 1, cada una de estas bandas es de 60 [MHz], con 299 canales de radiofrecuencia de 200 [kHz] de ancho de banda, reservando 100 [kHz] en cada extremo de la banda asignada como guarda de frecuencia. Cada canal de radiofrecuencia se multiplexa en el tiempo en ocho ranuras, numeradas de 0 a 7, que son las utilizadas para el transporte de información de control y de las conversaciones, y que conforman una trama digital de 4,62 [ms] de duración. De esta forma, GSM ofrece 2392 canales de radiofrecuencia de subida, e igual número de bajada. El tipo de modulación utilizado es 0,3GMSK (Gaussean Minimum Shift Keying), donde 0,3 especifica el producto del ancho de banda del filtro Gausseano y la tasa de transmisión (BT= 0,3). GMSK es una técnica de modulación frecuencia de la portadora con señales NRZ, usando un filtro de respuesta Gausseana en el tiempo y en frecuencia para introducir interferencia entre símbolos en forma controlada. Así se logra que las variaciones de frecuencia y de fase sean continuas. Para efectos de realizar mediciones con un analizador de espectros y obtener de esta medida la densidad de potencia irradiada es necesario poder establecer si el ancho de banda nominal de 200kHz efectivamente se puede considerar. La densidad espectral de potencia de una señal GMSK, considerando el efecto del filtro Gausseano se resume en la ecuación (1), cuya representación gráfica se observa en la figura 1: 2 2 ( −α Sφ3 = 16· A ·Tb ·cos (2·π·Tb · f )·e 2 [π·{1− ( 4·Tb · f )2 }] 2 2 ·f ) (1) De lo anterior se desprende que, para realizar las mediciones basta considerar que el ancho de banda de un canal de radiofrecuencia efectivamente se puede considerar de 200 [kHz]. 3. LA CELDA UTFSM, CAMPUS SANTIAGO Según información proporcionada por el proveedor de servicios PCS, los canales de radiofrecuencia de bajada disponibles en la celda del Campus de Santiago de la UTFSM son 12. La cobertura de la celda se logra mediante 3 sectores de 4 canales de radiofrecuencia cada uno, esto es, se tienen disponibles 32 canales de comunicación por sector. Para medir la densidad de potencia se tomaron promedios estadísticos de varias mediciones sobre un punto, rotando la antena receptora sobre un radio de 2λ, para así compensar las variaciones en la medición debido al desvanecimiento de pequeña señal y a la potencia de transmisión variable, producto de la naturaleza aleatoria del tráfico telefónico. Además se registró el máximo valor obtenido, ya que éste se utilizará para calcular la máxima densidad de potencia en el lugar. Un esquemático del arreglo de la antena de recepción se observa en la figura 2. Brazo Antena Mástil (PVC) Disco 31,4cm Figura 2: Arreglo antena de recepción Los equipos utilizados para el procedimiento de calibración del sistema de medición fueron: un generador de señales Hewlett Packard (HP-8656A), en conjunto con un doblador de frecuencia Minicircuit (FK-3000), un amplificador Minicircuit (ZJL-4HG) y una antena dipolo de media onda. El receptor consistió de una antena dipolo de λ/2, de ganancia medida de 1,65 [dBi] y 20 [dB] de rechazo a polarización cruzada, conectada a un analizador espectro TEKTRONIX-2792, a través de un cable coaxial de 3,6 [dB] de pérdida. El filtro de frecuencia intermedia del analizador de espectros se ajustó para un ancho de banda de 1[MHz]. Después de efectuar la calibración de instrumentos en terreno, se procedió a efectuar las mediciones de acuerdo al arreglo indicado en la figura 3. 3,6 [dB] Analizador de Espectros Tektronix Figura 1: Densidad Espectral de GMSK. Figura 3: Esquema de medición Los puntos de medición seleccionados se han marcado en el plano adjunto del Campus Santiago de la UTFSM representado en la figura 4. De esta figura se desprende que todos los puntos de medición considerados para este trabajo corresponden a aquellos cubiertos solamente por sólo un sector de la estación base, lo cual es muy conveniente para efectos de realizar las mediciones. De hecho, la mayor parte del Campus propiamente tal está cubierta solamente por este sector de la celda, es decir, teóricamente sólo podrán recibirse los 4 canales de radiofrecuencia relacionados con este sector. Punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Distancia a antena [m] 148 194 231 182 73 85 78 31 139 162 151 Potencia máxima [dBm] - 49 - 45 - 40 - 47 - 40 - 49 - 55 - 42 - 61 - 57 - 50 Potencia media [dBm] - 61 - 51 - 53 - 58 - 52 - 57 - 62 - 53 - 66 - 63 - 58 Tabla 2: Potencias máximas y medias medidas. La potencia medida, Pr , se relaciona con la densidad de potencia en el punto, Pd , según la relación [Lia85]: Pr = λ2 4π ⋅ Pd ⋅ Ga ⋅ Ac [W ] (2) donde λes la longitud de onda de la señal recibida, Ga es la ganancia (numérica) de la antena y Ac es la atenuación (numérica) del cable coaxial. De la ecuación (2) puede despejarse la densidad de potencia Pd que, expresada en [dBm/m2 ], se escribe como: dBm Pd 2 = −11[dB ] − 20 log(λ) + Pr [dBm] − Ga [dBi ] − Ac [dB ] (3) m Figura 4: Cobertura del Campus Santiago, UTFSM. Las señales de los canales de radiofrecuencia se suman para ser transmitidas mediante las antenas, por lo cual tiene sentido calcular la densidad de potencia relativa a uno de los canales solamente. De esta forma, en la medida que se agreguen canales adicionales, se puede calcular fácilmente la densidad de potencia globalmente, siguiendo el procedimiento señalado en este trabajo. Los resultados de las mediciones de los niveles de potencia recibidos - equivalentes a un canal de radiofrecuencia - han sido resumidos en la Tabla 2. Las distancias indicadas en la Tabla 2 corresponden a las medidas entre las bases de la antena PCS y la de la antena de medición, y no al recorrido directo observado entre la antena transmisora y el punto central en torno al cual se rotó la antena receptora. Interesa obtener las densidades de potencia en los puntos de medición solamente a partir de las máximas potencias medidas, ya que ellas determinan las densidades de potencia a ser consideradas para analizar el efecto que tiene la radiación de esta antena sobre el medio ambiente circundante. Un factor de corrección debe ser aplicado a la ecuación anterior, para considerar la ganancia efectiva de la antena receptora, en el ángulo de elevación de llegada de la señal recibida. Para efectos de cálculo la antena celular tiene 30 m de altura, en cambio la antena de medición está a 2 m del nivel del suelo. Los valores calculados para la densidad de potencia, medida, se muestran en la Tabla 3. Punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Distancia del Densidad de rayo directo a Potencia antena [m] [dBm/m2 ] 151 - 19,8 195 - 15,9 232 - 10,9 184 - 17,9 78 - 10,1 89 - 19,4 83 - 25,2 41 - 9,0 142 - 31,8 165 - 27,8 153 - 20,8 Densidad de Potencia [µW/cm2 ] 1,05 x10-3 2,58 x10-3 8,10 x10-3 1,63 x10-3 9,75 x10-3 1,16 x10-3 0,30 x10-3 12,5 x10-3 6,68 x10-5 1,65 x10-4 8,34 x10-4 Tabla 3: Densidades de potencias medidas. Lo anterior permite establecer la densidad de potencia por canal de radiofrecuencia medida en el sector. Dado que el sector está cubierto por cuatro canales de radiofrecuencia, la densidad de potencia efectiva es 4 veces el valor señalado. Punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Un parámetro que debe ser considerado adicionalmente es el factor de actividad de cada uno de los canales. A la hora en que se efectuaron las mediciones no todos los canales estaban siendo ocupados completamente. Si se supone que estaban ocupados al 50%, entonces la densidad de potencia debería ser el doble. Un método alternativo para establecer la densidad de potencia es el basado en el dato del EIRP (Effective Isotropic Radiated Power), [Lia85]. Este método es el recomendado por el Grupo de Expertos Independientes de Telefonía Móvil de Gran Bretaña y consiste en calcular la densidad de potencia basado en el valor del EIRP, que es la potencia que se obtiene a la salida de un radiador isotrópico, [Ste00]. El proveedor de servicios especificó el EIRP = 51,5 [dBm] por canal de radiofrecuencia. Conociendo la ubicación de los puntos de medición y las alturas de la antena de transmisión (30 m) y recepción (2 m), respectivamente, se puede calcular la densidad de potencia teórica a ser registrada en cada uno de ellos, utilizando la siguiente relación [Lia85]. Pd = EIRP 4 πR W 2 m (4) En esta expresión Pd es la densidad de potencia a una distancia R de la antena transmisora y EIRP es la potencia efectiva que se emite desde la antena en el sentido de máxima ganancia. Para el caso de interés, la densidad de potencia debe ser calculada para cada uno de los puntos de medición. Para aplicar la ecuación (4) el EIRP debe ser corregido de acuerdo al diagrama de radiación horizontal y vertical de la antena transmisora, considerando los ángulos azimutal y de elevación correspondientes para la dirección en cuestión. De igual forma, R corresponderá a la distancia asociada al rayo directo entre las antenas transmisora y receptora, considerando sus respectivas alturas. Después de efectuar estas correcciones, y aplicando (4), los valores calculados esperados para Pd son los que se muestran en la Tabla 4. Distancia Densidad de rayo directo a Potencia antena R[m] [dBm/m2 ] 151 - 7,57 195 - 8,32 232 - 9,01 184 - 0,09 78 - 4,82 89 - 5,55 83 - 5,05 41 - 5,04 142 - 8,02 165 - 8,62 153 - 9,19 Densidad de Potencia [µW/cm2 ] 1,75 x10-2 1,47 x10-2 1,25 x10-2 1,23 x10-2 3,29 x10-2 2,78 x10-2 3,14 x10-2 3,13 x10-2 1,58 x10-2 1,37 x10-2 1,20 x10-2 Tabla 4: Densidades de potencias esperadas en los puntos de medición. 4. ANALISIS DE RESULTADOS Si se comparan los valores obtenidos de las mediciones (Tabla 3) con los valores teóricos (Tabla 4), se observa que los valores teóricos obtenidos mediante el dato del EIRP del proveedor de servicios superan en un orden de magnitud, aproximadamente, a los valores obtenidos por mediciones. Una de las causas atribuibles a esta diferencia es que la actividad de los canales de radiofrecuencia observados no era la máxima posible. Otra causa podría ser que el dato del EIRP entregado sea superior al real. Finalmente, en los cálculos realizados no se consideró el efecto de multitrayectoria originada por reflexiones en el suelo y en los edificios aledaños. La Subsecretaría de Telecomunicaciones establece que la máxima densidad de potencia admisible es de 435[µW/cm2 ] en áreas de libre acceso para las personas, [Sub00]. Si se considera el valor máximo obtenido de los cálculos teóricos basados en el dato del EIRP proporcionado por el proveedor de servicios (Tabla 4) y el de los experimentales (Tabla 3), se observa que están por debajo de este valor en 3 órdenes de magnitud. Esto se cumple aún en el caso de considerar que la densidad de potencia total en un sector de la estación base es 4 veces el mayor valor obtenido de las Tablas, por tratarse de 4 canales de radiofrecuencias y no uno, es decir 13,2 x10-2 [µW/cm2 ], (Punto Nº5 de la Tabla 4). Esto comprueba que, desde este punto de vista la instalación de la estación base no tiene efectos perjudiciales para la salud, de acuerdo a esta normativa, y no podría llegar a tenerla, aún si se aumenta el número de canales de radiofrecuencia por sector. 5. CONCLUSIONES En este informe se contrastaron los valores obtenidos de un cálculo teórico de la densidad de potencia a partir de datos proporcionados por el proveedor de servicios con los obtenidos experimentalmente mediante mediciones, y los valores máximos establecidos por el ente regulador para este tipo de sistemas. Se observó que para realizar mediciones de la radiación electromagnética generada por una estación base de un sistema PCS es conveniente establecer contacto con el ingeniero a cargo del sistema que se desea analizar, para que pueda proveer datos relevantes acerca del número y de la ubicación de los canales de radiofrecuencia de la estación, de la potencia de transmisión, del diagrama de radiación de las antenas, de los sectores que están siendo cubiertos por la medición, y finalmente, poder coordinar con el fin de poder intervenir el servicio para las mediciones. Durante el proceso de medida es conveniente eliminar los efectos de la ocupación telefónica aleatoria de los canales de bajada y de los desvanecimientos de pequeña escala utilizando un método de medición de potencias medias y máximas registradas mediante procedimientos estadísticos. El uso de un analizador de espectros es imprescindible, en este caso. Dado que las mediciones se realizan en una banda estrecha, basta con usar una antena dipolo de λ/2, la cual debe ser medida con anticipación para garantizar que su diagrama de radiación sea uniforme y establecer su ganancia. Se utilizó un procedimiento de chequeo de consistencia de las mediciones antes y después de realizar las mediciones propiamente tales. Otro aspecto relevante es que los niveles de densidad de potencia registrados en un sector de la estación base están a niveles de 3 órdenes de magnitud por debajo del máximo autorizado por SUBTEL. Resulta interesante, en cambio, comparar estos niveles de radiación con aquellos que emite un teléfono móvil. Tal como se señala en el estudio realizado por IEGMP (Independent Expert Group on Mobile Phones), [Ste00], el nivel de transmisión máximo de un terminal móvil GSM (MS) es del orden de 1[W]. Sin embargo, la potencia media de transmisión de un terminal móvil es del orden de 0,125 [W], ya que el terminal usa sólo una de las ocho ranuras disponibles en un canal de radiofrecuencias. La antena del terminal móvil se encuentra aproximadamente a 2,2 cm de la cabeza de un usuario, lo cual significa que el valor máximo de densidad de potencia que se desarrolla en la cabeza del usuario es alrededor de 2.500 [µW/cm2 ], lo que, a su vez, es un 32avo de la radiación solar que se recibe en un día claro, según dicho informe. De lo anterior se desprende que los daños que podrían atribuirse a la radiación electromagnética de los sistemas que operan en la banda de 1,9 [GHz], deberían estar asociados a los terminales móviles, más que a las estaciones bases. Por el contrario, los riesgos se reducen si se permite a los operadores de estos servicios instalar más antenas con el propósito de mejorar la cobertura celular. Este fenómeno también se puede establecer de igual forma para los sistemas de comunicaciones móviles que operan a frecuencias diferentes a 1,9 [GHz]. El comportamiento de estos sistemas es similar al analizado, dando lugar, en consecuencia, a resultados similares también. 6. AGRADECIMIENTOS Los autores de este trabajo agradecen a los señores Sergio Olavarría, por parte de la UTFSM, Eduardo Andrade y Luis Hormazábal de ENTEL, por haber auspiciado el trabajo y haber proporcionado información relevante para realizar las mediciones. También se agradece al Grupo de Comunicaciones Inalámbricas del Departamento de Electrónica de la UTFSM, por haber contribuido con equipos y la experiencia adquirida. 7. BIBLIOGRAFIA: [Lia85] S.Liao, “Microwave Devices and Circuits, 2nd Ed.”, Prentice Hall, 1985 [Pee00] G. Peersman, S. Cvetkovic, P. Griffiths, & H. Spear, “The Global System for Mobile Communications, Short Message Service”,IEEE Personal Comunications, Junio 2000. [Rap96] Rappaport: “Wireless Communications”, McGraw Hill, 1996, [Rey98] E. Rey (Coordinador), “Telecomunicaciones Móviles”, 2º Edición, Barcelona, 1998. [Ste00] W.Stewart (Chairman of the Independent Expert Group on Mobile Phones), “Mobile Phones and Health”, http:\www.iegmp.org.uk [Sub00] SUBTEL: “Resolución Nº 505, Exenta”, Diario Oficial Nº 36657, pág. 6, del 08 de Mayo, 2000 [Zen99] M. Zeng, “Recent Advances in Cellular Wireless Communications”, IEEE Communications Magazine Sep. 1999.