Freiraummodell und Messung: Überraschend große Abweichungen (Forschung)
Freiraumberechnung und Messung:
Überraschend große Abweichungen bei 5G-Beamforming
Ein Konferenzbeitrag aus dem Jahr 2024, der auf einer für die neue IEC TR 62669 Edition 3 entwickelten Fallstudie basiert, wirft eine interessante Frage auf: Wie gut beschreibt eine einfache Freiraumberechnung die tatsächlich gemessene Exposition im Umfeld einer 5G-Basisstation? Die Antwort fällt überraschend aus. Je nach Messpunkt lagen die gemessenen Leistungsdichten um den Faktor zwei bis fast sechs über der Freiraumprognose. Die Autoren liefern dafür mehrere Erklärungen – eine eindeutige Ursache lässt sich aus der Studie jedoch nicht ableiten.
Der Konferenzbeitrag (Volltext) ist nicht zuletzt deshalb interessant, weil die Autoren ausdrücklich darauf hinweisen, dass die untersuchte Fallstudie ursprünglich für die kommende IEC TR 62669 Edition 3 entwickelt wurde. Damit erhält man bereits vor Erscheinen des Technical Reports einen Einblick in die Erprobung der dort beschriebenen Verfahren zur Bewertung der Exposition an 5G-Basisstationen mit Beamforming.
Aufhorchen ließ mich allerdings weniger die eigentliche Messmethodik als ein anderes Ergebnis. Die Unterschiede zwischen einer einfachen Freiraumberechnung und der Referenzmessung fielen deutlich größer aus, als ich erwartet hätte. Deshalb habe ich mir den Vergleich der beiden Verfahren etwas genauer angesehen.
Deutlich größere Unterschiede als erwartet
Untersucht wurden fünf Verfahren zur Bestimmung der maximalen Exposition an 5G-Basisstationen mit Massive-Mimo-Antennen. Als Referenz diente eine Messung unter künstlich erzeugter maximaler Netzlast ("forced maximum traffic load"), die den tatsächlich erreichbaren Maximalwert möglichst realitätsnah erfassen soll. Vergleicht man diese Referenz mit einer einfachen Freiraumberechnung, ergeben sich erstaunlich große Unterschiede. Je nach Messpunkt lag die gemessene Leistungsdichte um den Faktor 2 bis 5,8 höher als berechnet. Da die Feldstärke mit der Quadratwurzel der Leistungsdichte zunimmt, entsprechen diese Abweichungen einer Erhöhung der Feldstärke um etwa den Faktor 1,4 bis 2,4. Die von André Masson in der Schweiz reklamierte Vernachlässigung von Signalreflexionen ist deshalb nicht so abwegig, wie es scheint (siehe Hintergrund).
Dass ein vereinfachtes Freiraummodell die Realität nicht vollständig beschreibt, überrascht nicht. Überraschend ist vielmehr die Größenordnung der Abweichungen. Ehrlich gesagt hätte ich Unterschiede von einigen Prozent oder vielleicht wenigen dB erwartet – nicht aber Werte, die einer mehr als doppelt so hohen Feldstärke entsprechen können.
Eigentlich werden zwei unterschiedliche Ansätze verglichen
Bei genauerem Hinsehen zeigt sich allerdings, dass das Paper nicht zwei gleichartige Verfahren miteinander vergleicht. Die Freiraumberechnung ist ein theoretisches Ausbreitungsmodell unter idealisierten Freiraumbedingungen. Die Referenzmethode dagegen ist eine Messung unter definierten Betriebsbedingungen, die möglichst nahe an der tatsächlich erreichbaren maximalen Exposition liegen soll.
Streng genommen wird also nicht untersucht, welches Verfahren "richtiger" ist. Vielmehr geht es um die Frage, wie gut ein vereinfachtes Berechnungsmodell die Realität beschreibt. Der Vergleich ist deshalb durchaus sinnvoll, sollte aber nicht dahingehend missverstanden werden, die Freiraumberechnung sei grundsätzlich ungeeignet. Vielmehr zeigt er, wie stark sich reale Ausbreitungsbedingungen von einem idealisierten Modell unterscheiden können.
Reflexionen sind vermutlich nur ein Teil der Erklärung
Als wichtigste Ursache nennen die Autoren Reflexionen an Gebäuden. Das erscheint plausibel, denn das Freiraummodell berücksichtigt Mehrwegeausbreitung grundsätzlich nicht. Gleichzeitig weisen sie aber selbst darauf hin, dass weitere Unsicherheiten eine Rolle spielen können. Genannt werden unter anderem die Bestimmung der geometrischen Beziehung zwischen Antenne und Messpunkt, die vereinfachte Modellierung des Antennendiagramms sowie die Messunsicherheit des verwendeten Systems. Welchen Anteil die einzelnen Faktoren an den beobachteten Abweichungen haben, bleibt offen. Die Studie weist lediglich nach, dass die Differenzen existieren, nicht jedoch, wodurch sie im Einzelnen verursacht werden.
Gerade dieser Punkt macht die Ergebnisse für mich besonders interessant. Vier der fünf Messpunkte zeigen eine höhere Exposition als die Freiraumberechnung. Das spricht dafür, dass hier mehr als nur zufällige Messabweichungen vorliegen. Ob Reflexionen tatsächlich den größten Anteil daran haben oder ob andere Modellvereinfachungen ähnlich stark ins Gewicht fallen, lässt sich aus dem Paper jedoch nicht beantworten.
Andere Funkquellen scheiden als Erklärung weitgehend aus
Mein erster Gedanke war, dass die Messungen möglicherweise auch benachbarte Funkquellen erfasst haben könnten, die in der Freiraumberechnung naturgemäß nicht berücksichtigt werden. Tatsächlich haben die Autoren diesen Punkt jedoch beachtet. Gemessen wurde mit einem Spektrumanalysator ausschließlich im belegten 100-MHz-5G-Kanal. Andere Funkdienste wie LTE auf anderen Frequenzen, WLAN oder Rundfunk gingen deshalb nicht in die Messergebnisse ein. Darüber hinaus wurden die Messpunkte gezielt so ausgewählt, dass jeweils ein einzelner Sektor die Exposition dominierte. Bei den SSS-Messungen wurde ausschließlich der stärkste Beam des relevanten Sektors ausgewertet; andere Beams und Sektoren seien vernachlässigbar gewesen.
Damit scheiden zusätzliche Funkquellen als Erklärung weitgehend aus. Die beobachteten Unterschiede müssen daher überwiegend auf den Vergleich zwischen vereinfachtem Ausbreitungsmodell und realer Ausbreitung zurückzuführen sein.
Neugierig auf den vollständigen Technical Report
Der Konferenzbeitrag liefert interessante Ergebnisse, beantwortet aber nicht alle Fragen. Insbesondere bleibt offen, welcher Anteil der beobachteten Abweichungen tatsächlich auf Reflexionen zurückzuführen ist und welcher auf die vereinfachte Modellierung oder andere Unsicherheiten.
Gerade deshalb macht die Arbeit neugierig auf die neue im Juli 2026 erschienene IEC TR 62669 Edition 3. Der Konferenzbeitrag weist ausdrücklich darauf hin, dass die zugrunde liegende Fallstudie ursprünglich für diesen Technical Report entwickelt wurde. Es bleibt zu hoffen, dass dort die Ursachen der zum Teil erheblichen Unterschiede zwischen Freiraumberechnung und Messung ausführlicher analysiert werden als in dem zwölfseitigen Konferenzbeitrag.
Hintergrund
Ex-Physiklehrer füsiliert Physik von Signalreflexionen
