PRORAČUN INTENZITETA VEKTORA JAČINE ELEKTRIČNOG POLJA U OKOLINI MOBTELOVE GSM BAZNE STANICE “ZRENJANIN 3”

Miroslav Prša, Anamarija Juhas, Karolina Kasaš-Lažetić, Nikola Đurić, Miodrag Milutinov

Fakultet tehničkih nauka, Univerzitet u Novom Sadu, Novi Sad Sadržaj – U radu su predstavljeni rezultati proračuna intenzi-teta vektora jačine električnog polja u okolini antenskog siste-ma MOBTEL-ove GSM 900 bazne stanice “Zrenjanin 3”. Bazi-rani na teorijskoj osnovi za zonu zračenja, proračuni su izvrš-eni na tri nivoa u odnosu na tlo. 1. UVOD

Kompanija MOBTEL [1], je jedna od prvih operatera mo-bilne telefonije na ovim prostorima. Izgradnjom i puštanjem u rad GSM 900 mreže (Global System for Mobile Communicati-ons - Globalni Sistem Mobilnih telekomunikacija), za pružanje usluga mobilne telefonije, u velikoj meri se doprinelo tehno-loškom razvoju infrastrukture telekomunikacione mreže Repub-like Srbije.

GSM mreža mobilne telefonije zasnovana je na bežičnom prenosu podataka, pomoću elektromagnetskih talasa. Elektro-magnetsko polje, kao deo biosfere, prirodno je i stalno čoveko-vo okruženje. Međutim, tehnološki razvoj je bitno doprineo sve višem nivou profesionalne i ambijentalne izloženosti čoveka el-ektromagnetskom zračenju, odnosno pojedinim delovima nje-govog spektra. Iako vrlo širok, ceo elektromagnetski spektar je biološki aktivan, i različitim mehanizmima, deluje na žive orga-nizme.

Kao posledica konstantnog povećanja nivoa kvaliteta uslu-ga, MOBTEL nastavlja sa proširenjem i razvojem svoje GSM mreže. To znači da se postavljaju nove bazne stanice sa odgo-varajućim antenskim sistemom, u cilju porasta pokrivenosti teritorije. Kako se, postavljanjem i puštanjem u rad svake bazne stanice, pojavljuju nova elektromagnetska polja korišćenih fre-kvencija, neophodno je proračunati nivoe elektromagnetskih polja, koja takvi uređaji stvaraju i uporediti ih sa normativima koji postoje za nivoe elektromagnetskih zračenja. Ukoliko se pokaže da izračunata zračenja prelaze dozvoljene nivoe, pot-rebno je definisati dodatne uslove, kojima bi se nivo zračenja sveo u dozvoljeni opseg, da ne bi predstavljao opasnost za ok-ruženje, kako za žive organizme, tako ni za tehničke uređaje.

U cilju analize elektromagnetskog zračenja, u okolini bazne stanice “Zrenjanin 3”, kompanija MOBTEL se obratila Katedri za teorijsku elektrotehniku [2], Fakulteta tehničkih nauka u No-vom Sadu, gde se analizom elektromagnetskih zračenja profesi-onalno bavi stručni tim Katedre. U ovom slučaju je pred tim postavljen zadatak izračunavanja nivoa vektora jačine električ-nog polja, kako u dalekoj zoni antenskog sistema bazne stanice, tako i u neposrednoj blizini samog antenskog sistema. Dispo-zicija antenskog sistema i parametri bazne stanice definisani su projektnom dokumentacijom bazne stanice “Zrenjanin 3”.

Ukoliko se proračunom ustanovi da zračenja uređaja prelaze dozvoljeni nivo, u okviru analize će biti predložena i rešenja za smanjivanje zračenja na dozvoljeni nivo.

Ovaj rad se sastoji od šest poglavlja, pri čemu je u poglavlju 2 izložena dispozicija antenskog sistema, kao i deo parametara bazne stanice. U poglavlju 3, je predstavljena teorijska osnova, korišćena pri proračunu, dok su u poglavlju 4 dati rezultati pro-računa. U poglavlju 5 su, u kratkim crtama, predstavljeni posto-jeći standardi i norme vezani za dozvoljene nivoe elektromag-netskog zračenja. Komentari i zaključak rada dati su u poglav-lju 6. 2. DISPOZICIJA ANTENSKOG SISTEMA

Na lokaciji “Zrenjanin 3” planira se instalacija uređaja i pri-

padajućeg antenskog sistema za tro-sektorsku GSM baznu sta-nicu. U pitanju je "outdoor" bazna stanica tipa Ericsson 2102 [3], [4], pri čemu svi delovi sistema – bazne stanice sa odgo-varajućim antenskim sistemima treba da budu smešteni na krovu zgrade, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1. Dispozicija uređaja i antenskog sistema

Antenski sistem bazne stanice se sastoji od četiri panel ante-

ne za ostvarivanje servisa u tri sektora. Panel antene na sektori-ma 1 i 2, postavljene na visini 42m od tla, su antene sa dvostru-kom polarizacijom tipa Kathrein 739634 [5], dok su antene sek-tora 3, postavljene na visini 38,5m od tla, antene sa vertikalnom polarizacijom tipa Kathrein 730376. Osnovne karakteristike an-tena prikazane su u tabeli 1.

Tabela 1. Osnovne karakteristike primenjenih antena

Downtilt Tip antene

Dobitak [dBd]

Azimut [º] Mehanički Električni

K739634 14,85 20 -3º 6º K739634 14,85 150 -4º 6º K730376 16,35 260 2º -

Dijagrami zračenja antena dati su na slikama 2 i 3.

Horizontalna ravan

Vertikalna ravan

Slika 2. Dijagrami zračenja antene K730376

Horizontalna ravan

Vertikalna ravan

Slika 3. Dijagrami zračenja antene K739634

Antenski sistemi se, zbog funkcionalnosti, uvek postavljaju

tako da se na glavnom pravcu prostiranja talasa u neposrednoj blizini antena ne nalaze ni stambeni objekti, ni tehnički uređaji. To se postiže time što se antenski uređaji postavljaju veoma vi-soko, ili se postavljaju na ivice visokih objekata. Zbog toga, praktično nikada ne može da dođe do izlaganja ni ljudi, ni teh-ničkih uređaja, glavnom snopu zračenja, u neposrednoj blizini antene.

Obzirom na mehanički pomeraj (downtilt) i način instalacija panel antena, u smeru glavnog snopa zračenja pojedinih antena, bazne stanice “Zrenjanin 3”, u neposrednoj blizini antena, ni na koji način ne može da se nađe ni čovek, ni tehnički uređaj.

Dijagram zračenja realne antene nema oštro definisane ivice i deo snage će biti usmeren u svim pravcima ispod horizontalne ravni. S obzirom na karakterističnu funkciju zračenja, odnosno dijagram zračenja antena, izračene snage u pravcima vertikalno nadole je bar sto puta manja od one u glavnom snopu, na istom rastojanju od antene, što se vidi sa veritkalnih dijagrama zrače-nja korišćenih antena. Za primenjene antene slabljenje u verti-kalnim pravcima je preko 25dB.

3. TEORIJSKA OSNOVA PRORAČUNA Analizirana bazna stanica ima 6 predajnika, predviđenih da

rade u konfiguraciji 2+2+2, pri čemu je u baznoj stanici omo-gućeno priključenje dva predajnika na jednu predajnu antenu. Snaga predajnika po kanalu, gubici na napojnom vodu anten-skog sistema i efektivno zračena snaga (ERP), u smeru maksi-malnog zračenja, prikazane su u tabeli 2.

Tabela 2. Osnovne karakteristike antena po sektorima Nominalna RF izlazna snaga ERP Oznaka

sektora [dBm] [W]

Gubici [dB]

Dobitak antene* [dBd] [dBm] [W]

1 41 12,6 1,58 14,85 52,77 189,12 41 12,6 1,58 14,85 52,77 189,13 41 12,6 0,45 16,35 56,9 485,9

*dobitak antene u odnosu na polutalasni dipol

ERP antene predstavlja proizvod snage koja se dovodi ante-ni i dobitka antene, u datom smeru, u odnosu na polutalasni di-pol. Površinska gustina snage zračenja u slobodnom prostoru i-te predajne antene određena je sledećim izrazom [6]

),,(4 2 ii

i

aii g

rPS θϕπ

= (1)

gde je Pai ukupna snaga zračenja i-te antene, ri rastojanje tačke od i-te antene, a g(φi,θi) usmereno pojačanje i-te antene u smeru određenom uglovima φi i θi.

Izraz (1) predstavlja intenzitet Pointingovog vektora, odnos-no površinsku gustinu snage u tzv. “dalekoj zoni” ili “zoni zra-čenja”. Pokazuje se da korišćenje izraza (1) za veličine u dale-koj zoni daje dovoljno tačne rezultate tek kada je rastojanje od predajne antene reda 30λ. Za frekvencije od 900MHz, ovaj iz-raz je tačan za rastojanja veća od 10m od antene, jer je to rasto-janje mnogo veće od talasne dužine talasa (λ = 33cm).

Signali koji potiču sa različitih predajnih antena su nekoreli-sani zbog prostorne i/ili ugaone razdvojenosti. Zato ukupna po-vršinska gustina snage u slobodnom prostoru, u posmatranoj tački, može da se odredi kao (2) .∑=

iiSS

U zoni zračenja veza između ukupne površinske gustine snage zračenja i intenziteta vektora jačine električnog polja je data sledećim izrazima ,0SZE = (3)

gde je Z0= oo εµ = 377Ω karakteristična impadansa vazduha, u slučaju kada nema refleksija od zemlje, ili kao ,4 0SZE = (4) kada je uzet najgori slučaj koji može da se desi zbog refleksija. 4. REZULTATI PRORAČUNA

Prilikom proračuna analiziran je najgori slučaj i pretpostav-ljeno je da su aktivni svi kanali koje emituje bazna stanica. U stvarnosti su saobraćajni kanali aktivni samo kada se za tim ukaže potreba, čime se smanjuje snaga koja se izrači iz bazne stanice kada nema poziva. Rezultati proračuna u okolini bazne stanice, prikazani su na slikama od 4 do 9.

0.47485 0.47485

0.26757

0.30903

0.35049

Slika 4. Prikaz inteziteta vektora jačine električnog polja na visini 1,7m u odnosu na nivo tla, na površini 100m x 100m

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

800600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000

x [m]

y [m]

0.13707

0.18445

0.231840.27922

0.32661 0.37399

0.42138 0.46876

0.51615 0.56353

0.61092

0.13707

0.18445

0.231840.27922 0.32661

0.37399 0.42138

0.46876 0.51615 0.56353

0.089682

0.18445

0.23184

0.27922

0.326610.37399

0.42138

0.46876

0.51615

0.563530.61092

0.65830.70569

0.75307

0.089682

0.13707

0.18445

0.231840.27922

0.326610.37399

0.42138

0.46876

0.13

707

0.0896820.089682

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1000

1000

E [V/m]

Seve

r

Slika 5. Prikaz inteziteta vektora jačine električnog polja na visini 1,7m u odnosu na nivo tla, na površini 2000m x 2000m

0.38675

0.34893

0.3111

0.27327

0.23544

0.19761

0.15978

Slika 6. Prikaz inteziteta vektora jačine električnog polja na visini 17,5m u odnosu na nivo tla, na površini 100m x 100m

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

800600400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000

x [m]

y [m]

0.074561

0.115230.1559 0.19657 0.23724

0.27791 0.31858

0.35925 0.39992

0.44059 0.48126 0.52193

0.074561

0.11523

0.1559

0.19657

0.23724

0.27791

0.31858

0.359250.440590.39992

0.481260.52193

0.64394

0.11523

0.1559 0.19657

0.23724 0.27791 0.31858 0.35925 0.39992 0.44059

0.11523

0.1559

0.074561

0.074561

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1000

1000

E [V/m]

Seve

r

Slika 7. Prikaz inteziteta vektora jačine električnog polja na

visini 17,5m u odnosu na nivo tla, na površini 2000m x 2000m

2.08411.8121.5399

1.26780.99573

0.723650.45156

0.45156

0.723650.99573

1.2678

0.99573

Slika 8. Prikaz inteziteta vektora jačine električnog polja na

visini 3m ispod najniže antene, na površini 100m x 100m

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

800600400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000

x [m]

y [m]

0.324760.60107

0.877391.1537

0.60107 0.87739

0.60107 0.87739

1

2

3

4

5

6

7

81000

1000

E [V/m]

Seve

r

Slika 9. Prikaz inteziteta vektora jačine električnog polja na visini 3m ispod najniže antene, na površini 2000m x 2000m

Proračun intenziteta vektora jačine električnog polja, od an-

tena bazne stanice, izvršen je za tri nivoa: na visini 1,7m od ni-voa zemlje, što predstavlja prosečnu visinu čoveka, zatim na vi-sini od 17,5m od nivoa zemlje, što predstavlja visinu posled-njeg sprata najbliže susedne zgrade (najkritičniji objekat u bli-

zini bazne stanice) i na nivou od 3m ispod najniže antene, od-nosno na krovu objekta na kome su locirane antene. Prilikom proračuna za nivou visine čoveka uzeta je u obzira moguća ref-leksija od zemlje.

Kao rezultat proračuna dobijeno je da na tlu, intenzitet vek-tora jačine električnog polja koji potiče od antena bazne stanice ne prelazi vrednost od 1,51V/m. Na slikama 4 i 5 se vidi da je polje u podnožju antena mnogo manje nego na rastojanjima od nekoliko desetina metara. Na visini od 17,5m (visina stana na poslednjem spratu susedne zgrade) intenzitet električnog polja ne prelazi vrednost od 1,29V/m, slike 6 i 7. Na nivou krova zg-rade na kome je postavljena bazna stanica i pripadajući antenski sistem, u gabaritima krova, intenzitet vektora jačine električnog polja ne prelazi vrednost od 1,69V/m, slike 7 i 8. Korišćenjem jednačina za zonu zračenja na rastojanjima manjim od 10m do-bijaju se vrednosti veće od onih koji bi se dobile tačnim određi-vanjem elektromagnetskog polja talasa u bliskoj zoni. Prema tome, s obzirom da je cilj ove analize određivanje maksimalnih vrednosti polja, izrazi za polje talasa zone zračenja, primenjeni za manja rastojanja, daće vrednosti koje su sigurno veće od st-varnih.

Intenzitet vektora jačine električnog polja talasa koji se pro-stiru vertikalno naniže je deset ili više puta manji nego što je in-tenzitet vektora jačine električnog polja u pravcu glavnog sno-pa. Obzirom da se tipične vrednosti slabljenja talasa, prilikom prolaska kroz beton, kreću u opsegu od 6-10dB, vrednosti in-tenziteta vektora jačine električnog polja na poslednjem spratu zgrade na kojoj se nalazi bazna stanica, su sigurno mnogo ma-nje od vrednosti na krovu zgrade. 5. STANDARDI I NORME ZA NIVOE ELEKTROMAG-NETSKOG ZRAČENJA

Elektromagnetsko zračenje, koje se javlja unutar mreža mo-

bilne telefonije i koje obuhvata frekventni opseg oko 900MHz, spada u opseg nejonizujućeg zračenja. Međutim, zaštita od ne-jonizujućeg zračenja do sada nije uređena Zakonom o zaštiti ži-votne sredine Republike Srbije (postoji samo predlog Zakona o zaštiti od nejonizujućih zračenja iz novembra 2002. godine).

Radi ujednačavanja kriterijuma u pogledu očuvanja i podi-zanja kvaliteta životne sredine unutar Evropske unije, članice Evropskog komiteta za standardizaciju u elektrotehnici (CENE-LEC) izdali su predlog standarda pod nazivom Human exposu-re to elektromagnetic fields – ENV 50166-2 (high frequencies) [8]. U našoj zemlji postoji standard pod nazivom Radio komu-nikacije – Radio predajnici – Maksimalni iznos izlaganja koji se odnose na ljude (JUS N.NO.205). [9], koji delimično pokriva ovu tematiku. Granične vrednosti intenziteta vektora jačine el-ektričnog polja prema CENELEC i JUS standardu date su u ta-beli 2.

Tabela 2. Granične vrednosti intenziteta vektora jačine

električnog polja E [V/m] Standard

40 Najstrožija granica za ljudski organizam po CENELEC

27,5 Najstrožija granica za ljudski organizam po JUS N.NO.205

10 Najstrožija granica za profesionalne tehničke uređaje.

3 Najstrožija granica za komercijalne tehničke uređaje

6. ZAKLJUČAK

Elektromagnetsko zračenje bazne stanice sa odgovarajućim antenskim sistemom, kao i antenskim sistemom radio-relejnih veza, bilo je posebno posmatrano u okviru ovog rada. Proračun svih veličina relevantnih za opisivanje nivoa zračenja, izveden je u skladu sa postavkama teorijske i primenjene elektromagne-tike, za teorijski maksimalnu snagu stanice.

U ovom radu je, kao najvažnija veličina, analiziran intenzi-tet vektora jačine električnog polja i to na tri različite visine; u horizontalnoj ravni na visini čoveka (1,7m od površi zemlje), u horizontalnoj ravni na visini poslednjeg sprata najbliže susedne zgrade i u horizontalnoj ravni krova na koji je postavljena baz-na stanica,. Rezultati proračuna pokazuju da najveća vrednost intenziteta vektora jačine električnog polja, na nivou glave čo-veka (1,7m od zemlje), iznosi 1,51V/m, na nivou poslednjeg sp-rata najbliže susedne zgrade (17,5m od nivoa zemlje) iznosi 1,29V/m, dok je najveća vrednost na nivou krova 3m ispod naj-niže antene 1,69V/m. No, i ova poslednja, nešto veća vrednost, nastupa ispod jedne od antena, u prostoru gde sigurno neće biti postavljeni tehnički uređaji. Upoređivanjem rezultata sa vred-nostima iz standarda, vidi se da su sve proračunate vrednosti daleko ispod dozvoljenih nivoa, i da je nivo elektromagnetskog zračenja, koji stvara bazna stanica "Zrenjanin 3", manji od vrednosti koje propisuju standardi

LITERATURA

[1] www.mobtel.co.yu [2] www.ktet.ftn.ns.ac.yu [3] Tehničke karakteristike bazne satnice RBS2102 kompanije

Ericsson, 063 MOBTEL "Srbija" [4] "Response to Request For Informatioon for GSM 900 Cel-

lular Radio Network in Serbia", Ericsson Telecomunicazi-oni S.p.A, October 1997.

[5] www.kathrein.com [6] Branko D. Popović, "Elektromagnetika", Građevinska knji-

ga, Beograd, 1990. [7] Zakon o zaštiti životne sredine (“Službeni glasnik Republi-

ke Srbije” broj 66/91-2730, 83/92-2915, 53/93-2017, 67/93, 48/94 i 53/95)

[8] "Human exposures to electromagnetic fields. High frequ-encies (10kHz to 300GHz)", European prestandard ENV 50166-2, CENELEC-European Committee for Electroteh-nical Standardisation, January 1995

[9] "Radio-komunikacije, Radio-predajnici, Maksimalni iznos izlaganja koji se odnose na ljude", Jugoslovenski standard sa obaveznom primenom, JUS N.NO.205. Pravilnik br. 06/01-93/178 od 8.8.1999.godine, Sl.list SFRJ br.50/90.

Abstract – The paper presents the results of electromagnetic radiation analyses for MOBTEL GSM 900 base station “Zre-njanin 3”. Based on far electromagnetic field theory, the ana-lyse is performed for three levels from ground.

Miroslav Prša, Anamarija Juhas, Karolina Kasaš-Lažetić, Nikola Đurić, Miodrag Milutinov