Radiación de Estación Base PCS-GSM

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.