Elektromagnetische Felder mittels Hochfrequenz-Spektrumanalyse messen

1. Bestandsaufnahme mittels HF-Spektrumanalyse: Messung des Ist-Zustandes der HF-Immissionen

Die Hochfrequenz (HF)-Strahlung wird an einer bestimmten Anzahl von Messpunkten im bzw. am Gebäude oder auf einem unbebauten Grundstück gemessen. Im Mittelpunkt sollten hier die Hauptaufenthaltsbereiche stehen (z. B. Dauerarbeitsplätze, Schlafzimmer). Auf einem unbebauten Grundstück sind die Immissionen auch auf den relevanten Höhen zu ermitteln, ggf. unter Zuhilfenahme einer Hebebühne oder eines Krans.
Mit dem selektiven Verfahren der Spektrumanalyse können die einzelnen Funkdienste anhand ihrer Frequenz voneinander unterschieden und individuell in ihrer Stärke gemessen werden. Der Bereich des Übersichtsspektrums umfasst die Funkdienste Lang- Mittel- und Kurzwellensender, UKW-Tonrundfunk FM, Digitalradio (DAB+) im VHF-Bereich, digitales terrestrisches Fernsehen (DVB-T) im UHF-Bereich, Mobilfunk GSM 900, GSM 1800, UMTS und das neue, im Aufbau befindliche Mobilfunksystem LTE in drei verschiedenen Frequenzbereichen, TETRA-Bündelfunk der BOS (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, wie Feuerwehr, Rettungsdienste, Polizei), DECT-Schnurlostele­fone und WLAN (Wireless Local Area Network). Die Immissionen der mit relevanten Pegeln einfallenden Funkdienste werden dann in feiner aufgelösten Detailspektren mit funkdienstspezifischen Parametern einzeln genau gemessen.
Zusätzlich werden für die Mobilfunkdienste Berechnungen zur Ermittlung der Minimal- und Maximal-Immissionen (GSM, UMTS, LTE) durchgeführt, da diese Immissionen zeitlich nicht konstant sind, sondern auslastungsabhängig ständig schwanken.
Die Messergebnisse werden in einem Bericht protokolliert und erläutert. Die aktuell gemessenen Frequenzspektren werden als Grafiken ausgewiesen. Die Messwerte werden zusätzlich in einer Tabelle als elektrische Feldstärke in Millivolt pro Meter (mV/m) und als Strahlungsdichte (= Leistungsflussdichte) in Mikrowatt pro Quadratmeter (µW/m²) angegeben.

2. Hochrechnung der GSM-Mobilfunk-Immissionen auf den Zustand bei maximaler Anlagenauslastung („Worst Case“)

Die gemessenen Immissionen sind abhängig von der Auslastung der Mobilfunk-Basisstation. Die aktuelle Auslastung der Basisstation zum Zeitpunkt der Messung ist vom Verkehrsaufkommen der gerade über die Station abgewickelten Gespräche abhängig und damit zufallsbedingt; sie kann ggf. nur einen Bruchteil der möglichen Maximal-Auslastung betragen.
Zur Ermittlung der Strahlungsdichte bei minimaler Anlagenauslastung werden für den GSM-Mobilfunk (D- und E-Netz) die Strahlungsdichten der – ständig mit voller Leistung sendenden –  Organisationskanäle getrennt von den lastabhängigen Verkehrskanälen gemessen. Diese Grundbelastung durch die Organisationskanäle ist permanent vorhanden, auch wenn keine Telefonate über die Basisstation geführt werden. Sie stellt die Bewertungsgrundlage für die nächtliche Situation dar während einer Phase, in der der Körper auf Erholung und Regeneration eingestellt ist (minimaler Beurteilungswert).
Außerdem wird eine Worst-Case-Betrachtung durchgeführt zur Darstellung des Falles, dass alle Kanäle der Basisstation voll ausgelastet sind (hochgerechneter Fall der maximalen Anlagenauslastung = maximaler Beurteilungswert). Die Strahlungsdichten der Organisationskanäle werden multipliziert mit der Anzahl der maximal möglichen Frequenzkanäle der Basisstation. Diese Anzahl kann der Netzbetreiber angeben. Falls diese Daten nicht vorliegen, wird mit vier Frequenzkanälen pro Basisstation für GSM 900-Anlagen (D-Netz) gerechnet bzw. mit zwei Frequenzkanälen für GSM 1800-Anlagen (E-Netz), da dies typische Werte für GSM-Basisstationen in städtischen Gebieten sind.
Bei Schlafplätzen werden in einem bewertenden Teil des Berichtes die gemessenen und hochgerechneten Strahlungsdichten mit den Richtwerten für Schlafbereiche zum Standard der Baubiologischen Messtechnik (SBM-2015) verglichen.

3. „Worst Case“-Betrachtung der UMTS-Immissionen für maximale Anlagenauslastung (Beurteilungswert)

Die Bandbreite von UMTS-Signalen ist mit ca. 4 MHz wesentlich größer als die von GSM-Signalen (200 kHz). Daher kommt zur Messung von UMTS-Immissionen das Verfahren der Channel Power-Messung zum Einsatz. Hierbei wird mit einer schmalen Filtereinstellung das Dichtespektrum gemessen und über die Kanalbandbreite aufsummiert.
Auch bei UMTS gibt es permanent sendende Steuerkanäle, die die Minimalimmission bestimmen, wenn kein Nutzverkehr über die Basisstation abgewickelt wird. Die Maximalimmission bei voller Anlagenauslastung beträgt typischerweise etwa das 6,3-fache der minimalen Leistungsflussdichte. Mittels Spektrumanalyse kann allerdings nicht eindeutig differenziert werden, in welchem Auslastungszustand die Basisstation sich während der Messung befindet.
Setzt man den aktuellen Messwert als Minimalwert an und rechnet die Leistungsflussdichte mit dem Faktor 6,3 hoch, so stellt der hiermit ermittelte Maximalwert den „worst case“ dar. Die tatsächliche Maximal-Immission wird auf keinen Fall höher sein, kann aber bis um den Faktor 6,3 niedriger sein (wenn nämlich bei maximaler Anlagenauslastung gemessen wurde).
Bei UMTS unterscheiden sich aufgrund der rauschähnlichen Signalstruktur der Spitzenwert (Peak) und der Effektivwert (quadratischer zeitlicher Mittelwert, RMS (Root Mean Square)) erheblich. Typisch ist ein Unterschied von ca. 10 dB. Dies entspricht dem Faktor 10 für die Strahlungsdichte und dem Faktor Wurzel aus 10 (= 3,16) für die Feldstärke.

4. LTE-Mobilfunk

Im Gegensatz zu GSM und UMTS ist die Kanalbandbreite bei LTE nicht fix, sondern es können – je nach geplanter Kapazität und Anforderungen an die Datenrate – unterschiedliche Bandbreiten zum Einsatz kommen: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz und 20 MHz. In Deutschland übliche Bandbreiten sind 10 MHz und 20 MHz. LTE ist – dem verfolgten Hauptziel der schnellen Breitbandversorgung entsprechend – vollständig IP basiert und damit an den technischen Gegebenheiten des Internets (IP = Internet Protocol) orientiert.
Ermittlung der Maximalimmission: Die Hochrechnung auf maximale Anlagenauslastung (Maximalimmission) erfolgt in zwei Schritten:
Zum einen mittels Extrapolationsfaktor von der Messbandbreite auf die Signalbandbreite (Verhältnis von Signalbandbreite zu Rauschbandbreite des Filters).
Zum anderen ist zu berücksichtigen, dass bei LTE generell die so genannte MIMO-Antennentechnik zum Einsatz kommt (Multiple Input – Multiple Output). Hierbei werden zwei senkrecht zueinander angeordnete Antennenelemente verwendet, über die das Signal abgestrahlt wird. Mit bei den Messungen üblicherweise verwendeten nicht-isotropen Messantennen (log-per, bikonisch) kann aber nur jeweils das Signal eines Antennenelements empfangen werden, so dass eine Unterbewertung der Strahlungsdichte um 3 dB stattfindet (Faktor 0,5). Diese Unterbewertung muss durch einen Zuschlag von 3 dB ausgeglichen werden (Faktor 2 für die Strahlungsdichte).
Ermittlung der Minimalimmission: Als Minimalimmission der Strahlungsdichte (Betrieb der Basisstation ohne Verkehrslast) werden üblicherweise 25 % der Volllast angesetzt; dies entspricht 50 % der Feldstärke bei Volllast.

5. Beurteilungswert für DECT

Die Signale von DECT-Schnurlostelefonen sind gekennzeichnet durch kurze Impulse. Verschiedene Geräte im Heim- und Kleinbüro-Bereich sind nicht untereinander synchronisiert; damit ist es äußerst unwahrscheinlich, dass sich über einen längeren Zeitraum die Impulsamplituden addieren. Als Beurteilungswert wird hier daher nicht die Summe, sondern der höchste Einzelwert herangezogen.