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Mann mit Messgerät am Fenster
Forschung

Abnahmemessungen von 5G-Basisstationen – das ist neu!

Mit 5G kommen neuste Antennengenerationen, sogenannte adaptive Antennen, zum Einsatz. Sie bestehen aus 64, 128 oder künftig mehr Antennenelementen. Diese Elemente peilen Endgeräte gezielt an und vermindern damit die Streuverluste.
Peter Fritschi
Peter Fritschi, Experte für die Messung nichtionisierender Strahlung
11. Februar 2021

Mit 5G kommen neuste Antennengenerationen, sogenannte adaptive Antennen, zum Einsatz. Sie bestehen aus 64, 128 oder künftig mehr Antennenelementen. Diese Elemente peilen Endgeräte gezielt an und vermindern damit die Streuverluste. Denn bis anhin haben Mobilfunkantennen ganze Sektoren mit Signalen versorgt, um alle Endgeräte innerhalb dieses Gebietes zu bedienen. Was heisst das für die Messung von Mobilfunksignalen?

Begrenzung der Sendeleistung von Antennen

Antennen für Mobilfunk, die sogenannten Basisstationen, unterliegen in der Schweiz einer vorsorglichen Emissionsbegrenzung. Ihre höchsten Sendeleistungen sind entsprechend der Verordnung1 über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung limitiert. Auf welche maximalen Sendeleistungen eine Basisstation beschränkt ist, wird anhand einer Berechnung der eintreffenden Sendeleistungen (Immission) an bewohnten Orten in der Nachbarschaft der Basisstation bestimmt.

 

(1) NISV, SR 814.710

Weshalb Abnahmemessungen?

Da die Ausbreitung der Mobilfunkwellen durch viele Details, wie z.B. den Materialeigenschaften von Gebäuden beeinflusst wird, welche zu bestimmen einen nicht machbaren Aufwand bedeutete, weisen die oben genannten Feldstärkeberechnungen Toleranzen auf. Deswegen werden Abnahmemessungen durchgeführt, nachdem Basisstationen in Betrieb gehen. Man validiert damit die berechneten Werte. Solche Abnahmemessungen werden seit mehr als zwanzig Jahren systematisch durchgeführt.


Die Messmethode im Wandel der Mobilfunktechnologien

Da Basisstationen nur bei höchster Verkehrsauslastung die maximale Leistung aussenden, ist die Messung der maximalen Feldstärken nur selten oder nie möglich. Ist die Basisstation an der Leistungsobergrenze, können Kunden auch keine Verbindungen mehr aufbauen. Das war und ist für Kunden ärgerlich und wird daher durch eine vorausschauende Netzplanung möglichst vermieden.

 

Da die Ausbreitungsweise der Mobilfunkwellen nicht von der Sendeleistung abhängig ist, half man sich schon bei GSM (2G) damit, Pilotsignale mit konstanter Leistung aus der Luft zu messen. Durch Extrapolation (Hochrechnung) der gemessenen2 Pilotsignale auf die maximal erlaubte Sendeleistung lässt sich die Einhaltung der vorsorglichen Grenzwerte also ohne Qualitätseinbusse ebenfalls überprüfen, ohne auf einen bestimmten Messzeitpunkt warten zu müssen.

 

(2) Im Jahre 2002 bei GSM konnte man die BCCH-Pilotsignale noch mit gewöhnlichen Spektrumanalysatoren getrennt messen. Später mit UMTS, LTE und jetzt auch 5G braucht es zur Pilotmessung spezialisierte Messgeräte, um die schlussendlich erforderliche Signaltrennung zu erreichen


5G und adaptive Antennen

Mit der Einführung von 5G wird nun eine Innovation Realität, von welcher schon bei UMTS (3G, eingeführt 2004) die Rede war: die adaptiv betriebenen Antennen. Die Antennengehäuse an den Sendemasten enthalten mehrere einzelne Antennenelemente und wenn man diese mit unterschiedlichen Signalen ansteuert, kann man die Sendeleistung momentan dorthin lenken, wo der Kunde mit seinem Endgerät ein gutes Empfangssignal haben möchte. Viele 5G Basisstationen sind damit ausgerüstet, es gibt aber auch nach wie vor herkömmliche Antennen, die gleichmässig und statisch einen ganzen Sektor mit Signalen versorgen.


Die adaptiven Antennen und die Pilotsignale

Wie erwähnt – die heutigen adaptiv betriebenen 5G-Sendeantennen weisen gegenüber herkömmlichen Antennen einen Unterschied auf: Verkehrs- und Pilotsignale werden von der Antenne, je nach Senderichtung unterschiedlich stark ausgesendet. Da der Unterschied der beiden Signale aber je nach Richtung bekannt ist, wird nun gemäss der Messmethode des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (METAS) das gemessene 5G-Signal zusätzlich um diese Differenz bis zur maximal zugelassenen Sendeleistung hochgerechnet. Diese Lösung ist international in Normengremien akzeptiert und wird auch von Messgeräteherstellern vorgeschlagen.


Leistungsreduktion wegen theoretischem Maximum

Je nach Senderichtung, in welcher gemessen, wird kann die richtungsabhängige Extrapolation grösser oder kleiner ausfallen. Die 5G-Messmethode des METAS unterscheidet drei Fälle und extrapoliert diejenigen Messungen konservativer, bei denen grössere Toleranzen vorausgesetzt werden.

 

Damit ist dafür gesorgt, dass ein Ergebnis von solchen Messungen am Schluss tendenziell eher über dem Anlagegrenzwert liegt, als darunter, was dann auch bedeutet, dass die Sendeleistung wegen der Toleranz und nicht wegen dem abgelesenen Messwert reduziert wird. Da die Anlagegrenzwerte, wie anfangs erwähnt eine Beschränkung gemäss Vorsorgeprinzip im Umweltschutzgesetz3 sind, wäre aber auch das gesundheitlich nicht bedenklich. Die international verbreiteten ICNIRP4 Grenzwerte, welche 10-fach grösser sind und z.B. in Deutschland gelten, stellen den begründeten Massstab dafür dar.

 


(3) USG, SR 814.01

(4) International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection

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