EMF 5: Leistungsdichte, Crest-Faktoren & EIRP erklärt – die Mobilfunk-Belastung besser einschätzen können!

Veranschaulichung der Leistungsdichte im Mikrowellenbereich.

Veranschaulichung der Leistungsdichte im Mikrowellenbereich. Grafik: H.C.

Ein für mich ganz wichtiges Thema bei der Betrachtung der Spitzenbelastung mit EMF im Mikrowellenbereich, also derzeit Mobilfunk (2G, 3G, 4G), WLAN, Bluetooth, DECT & Co. ist die Leistungsdichte!

Das Thema war mir irgendwie schon bewusst – aber nicht was GSM (2G) von WLAN und 3G, etc. unterscheidet. Weil es auch gerade ein großes Thema bei Dr. Jack Kruse ist [2][3], bin ich dem ganzen mal nachgegangen und versuche hier alles Relevante in kürze zusammen zu fassen.

Wichtig vorab: Durch verschiedene Techniken (Antenne, Modulation, etc.) wird aus wenig Sendeleistung im Mittel eine sehr viel höhere in den ‘Spitzen’. Zusammen mit immer mehr Smartphone-Nutzern, WLAN-Routern, Schnurlos-Telefonen und Mobilfunk-Masten wird dann ein Schuh draus…

Hinweis: Für mehr zum Thema EMF, Mobilfunk & Co. schaut mal auf meine Seite zu EMF & Co.

Wie kann ich mir die Leistungsdichte vorstellen?

Um das zu verdeutlichen habe ich das Bild gleich recht nebenan erstellt. In den 1990’ern, als es nur einfache Mobiltelefone gab die nur dann sendeten wenn man damit telefoniert hat + ein paar WLANs die ab und zu mit Notebooks genutzt wurden, sah die Welt noch recht gut aus. Der größte Störfaktor waren damals sicher die schnurlosen DECT-Telefone – die immer mit voller Power gesendet haben. Heute gibt es da zumindest Eco-DECT, das dass Problem reduziert – natürlich nur, wenn es auch explizit eingeschaltet ist!

In der Mitte der (linken) Kugel könnte eine GSM-Funkstation sein, die kleinen Punkte sind dann aktive Mobiltelefone (laufendes Gespräch) bzw. DECT-Basisstationen und vereinzelte WLANs.

Heute sieht alles anders aus – Siehe auch die rechte Kugel im Bild nebenan. Das ist so ziemlich die Situation, wenn man irgendwo in einem Ballungsgebiet bzw. einem Wohnblock lebt, auf der Arbeit in einem Bürogebäude mit viel Technik / Notebooks verweilt oder mit dem ÖPNV (Bus, Bahn) zu Stoßzeiten unterwegs ist. In der Mitte ist dann ein LTE bzw. 3G Sendemast – der in den Spitzen (-> Crest-Faktor) ordentlich Leistung ‘raus haut’. Die vielen kleinen Kreis sind dann z.B. Menschen mit WLAN-Tablets und Smartphones – die auch funken wenn man gar nicht telefoniert. Da es insgesamt viel mehr von dem ganzen Krempel gibt und fast jeder damit herum rennt, ist auch die Chance das irgendwer 1, 2, 5, 10 Meter weiter gerade solch ein Gerät nutzt sehr hoch. Damit rücken dann auch die ‘kleinen Sendemasten’ immer näher an einen ran (falls man nicht gerade selber einen in der Hand hält – oder in der Hosentasche stecken hat).

Wo wird das ganze relevant?

Überall wo viele Mobilfunk- und auch WLAN-Geräte auf kleinem Raum oder Fläche genutzt werden, z.B.:

  • In ‘digitalisierten’ Klassenräumen die WLAN anstatt Netzwerk-Kabel nutzen.
  • In ‘modernen’ (Großraum-) Büros mit flexiblen Tischen & Co. wo die Firmen auf Smartphone & WLAN anstatt Festnetz & Netzwerk-Kabel setzten.
  • In dichtbesiedelten Innenstädten und Wohnblocks, wo (nicht nur) ein Nachbar 2 Meter weiter WLAN-Router und die Basisstation vom DECT-Telefon stehen hat.
  • etc.

Wobei Emissionen aus anderen Stockwerken nicht ignoriert werden dürfen. Der WLAN-Router an der Decke ist beim nächsten der Fußboden. Insofern reicht es nicht aus, durch begehen der Nebenräumen die Situation zu bewerten. Problematisch wird es dann insb., wenn das Büro oder der Klassenraum voll ist – und jeder ‘funkt’.

Leistungsdichte speziell im Mobilfunk & bei WLAN

Im Unterschied zu den Sendemasten die viele Menschen mit sich rumtragen muss bei der auftretenden Belastung durch Mobilfunk-Sendeanlagen und WLAN differenziert werden. Um das hier alles zu erklären greife ich u.a. auf ein hervorragendes und lesenswertes Dokument von Baubiologe Dr.-Ing. Martin H. Virnich zurück [1].

Um die auf den Menschen wirksame Leistung der verschiedenen WLAN- und Mobilfunktechnologien zu verstehen kann man nicht einfach auf die ‘Watt-Zahl’ schauen, denn der jeweilige Standard, die Richt-Charakteristik der Antennen und auch das Nutzungsverhalten sind wichtig im den Aspekt der Leistungsdichte zu verstehen. Hier mal eine Liste:

  • Sendeleistung (Min / Max)
  • Crestfaktor (Verhältnis von Spitzenbelastung  zu mittlerer Belastung)
  • Richtcharacteristik und ‘Antennengewinn’ – wie aus 20 Watt 1000 Watt werden (EIRP)
  • Immisionsverlauf (Belastungen) je nach Abstand von (Mobilfunk-) Antennen & Mythen
  • Emissionen vom Smartphones – was sich gegenüber ‘dummen’ Mobiltelefonen geändert hat.

Sendeleistung – von Minima und Maxima

Je nach Nutzung und nach Standard (GSM, UMTS, LTE) unterscheidet sich die Sendeleistung von Mobilfunk-Basisstationen. Dabei gibt es jeweils ein absolutes Minimum (u.a. Funk für Verwaltung und Basisfunktionen) und ein Maximum (bei voller Auslastung, z.B. durch Gespräche und Datenfunk). das Dokument von Baubiologe Virnrich gibt hier folgende Werte (zwischen Min. und Max.) an:

  • Faktor 2 bis 4 für GSM (Global System for Mobile Communications)
  • Faktor 6,3 für UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
  • Faktor 4 für LTE (Long Term Evolution).

Crestfactor – es ist die Spitzenleistung die zählt!

Scheitelwert (Crestfakror) am Beispiel einer 230V Wechselspannung

Scheitelwert (Crestfakror) am Beispiel einer 230V Wechselspannung

Der Crestfaktor ist das Verhältnis von Spitzen (Peak, Scheitel-) Wert zum Effektivwert (RMS, Root Mean Square) – welcher als ‘Durchschnitt’ über die Zeit ermittelt wird. So hat z.B. die 230V Wechselspannung einen Spitzenwert von 325V, jedoch nur einen Effektivwert von 230V (Crestfaktor: 1,41). Man kann sich das so vorstellen, das die Fläche unter der Kurve (dem Signal) geglättet wird.

Beim GSM-Mobilfunk war der Crestfaktor noch bei 1. Bei GSM-EDGE (Datenfunk), UMTS (3G), LTE (4G) WiMAX, und TETRA (Behördenfunk) unterscheiden sich jedoch der Spitzenwert der Sendeleistung deutlich vom Effektivwert. Das gleiche ist bei WLAN in den verschiedenen Ausprägungen (a,b, g, etc.) der Fall. Hier mal eine Übersicht über die Crestwerte der verschiedenen Technologien:

  • GSM: 0 dB -> Crest-Faktor 1.
  • GSM-Edge: 3 dB -> Crest-Faktor 2.
  • UMTS, LTE und WLAN: 10-13 dB -> das entspricht dem 10-20 fachen des Effektivwertes.

Aus 20 Watt Sendeleistung werden also bei UMTS, LTE und WLAN bis zu 400 Watt Impuls-Spitzenleistung. Das gleiche was für den Mobilfunk-Sendeanlage (‘den Masten’) gilt, trifft jedoch auch auf das Smartphone (in der Hosentasche) und WLAN im Notebook zu. Aus 2 Watt werden 40 Watt Impulse und aus 100 mW bei 2,4 GHz WLAN schnell 3-6 Watt.

Richtungscharakteristik der Antenne – aus 1 mach 50

Leistungsverteilung einer Antenne.

Leistungsverteilung einer Antenne. Quelle: Wikimedia, Autor: Timothy Truckle, Lizenz: CC BY-SA 4.0

An einer Basisstation sind meist mehrere Antennen montiert, wovon jede einen bestimmten Teil (Sektor) Abdeckt. Dies wird dann Richtcharakteristik genannt. Für die Berechnung der Immissionen (Sendeleistung) hat dies dann eine entscheidende Bedeutung, denn durch die Bündelung/Fokussierung der Leistung in eine Hauptstrahlrichtung ergibt sich eine Leistungssteigerung im Vergleich zu einem ‘isotropen Kugelstrahler’ (also wenn überall hin gleich stark gesendet würde). Dabei erreichen typische Mobilfunk-Sektorantennen einen so genannten ‘Antennengewinn’ von durchaus 17dBi – was einer Verstärkung der Eingangsleistung um das 50 fache gleichkommt.

Das ganze nennt sich dann in Deutsch äquivalente isotrope Strahlungsleistung, abgekürzt EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power). Das ist dann der Faktor um welche in der Hauptstrahlrichtung der Antenne die eingespeiste Sendeleistung (z.B. 20 Watt) verstärkt wird. Ein Antennegewinn von 17dBi (Faktor 50) macht dann aus 20 W ca. 1000 W EIRP!

Aus 20 mach 40.000 – Wenn Antennengewinn und Crestfaktor zusammenwirken

Bei der Betrachtung der Leistungsdichte in der ‘Spitze’ wirken nun Crest-Faktor und Antennengewinn (EIRP) zusammen, wie Dr. Virnich  es dann ausführt. Die reine Sendeleistung am Eingang (20 Watt max.) sagt also nicht über die Sendeleistung an der Antenne, bezogen auf die Hauptstrahlrichtung, aus. Bei der Betrachtung muss jedoch auch berücksichtigt werden, das pro Sektor noch auf mehreren Kanälen (Frequenzen) gleichzeitig gesendet werden kann. Auch dies vergrößert noch einmal die effektive Sendeleistung in einem Sektor. Folgend habe ich daher mal Tabellen aus dem Dokument von Dr. Virnich abgetippt [1]:

Sendeleistung pro Kanal (RMS)StandardEIRP pro Kanal RMS (Gi = 17 dBi)Typ. Kanäle pro SektorEIRP für alle Kanäle RMSCrest-FaktorEIRP für alle Kanäle Peak
20 WGSM 9001.000 W44.000 W1 (0 dB)4.000 W
EDGE 9001.000 W44.000 W2 (3 dB)8.000 W
UMTS1.000 W22.000 W10 (10 dB)20.000 W
20 (13 dB)40.000 W

Spannend war für mich zu lesen was das ganze dann auch für WLAN bedeutet, insbesondere, da die Sendeleistung für das 5 GHz WLAN bis zu 1 Watt beträgt. Auch hier beziehe ich mich auf eine Tabelle aus [1]:

Sendeleistung pro Kanal (RMS)StandardEIRP pro Kanal RMS (Gi = 17 dBi)Typ. Kanäle pro SektorEIRP für alle Kanäle RMSCrest-FaktorEIRP für alle Kanäle Peak
WLAN/WiFi2,4 GHz0,1 W30,3 W10 – 20
(10 – 13 dB)
3 – 6 W
5 GHz1 W3 W30 – 60 W

Immissionsverlauf von (Richt-)Antennen

Leistungscharakteristik in Bezug zum Abstand einer Antenne mit Haupt- und Nebenkeulen.

Leistungscharakteristik in Bezug zum Abstand einer Antenne mit Haupt- und Nebenkeulen. Grafik in Anlehnung von Abb. 3 aus [1]

Oft ließt man, das es genau unter der Antenne ‘nicht so schlimm ist’. Ist das wahr? Das Problem nach Virnich sind die ‘Nebenkeulen’ [4] einer Richtantenne (siehe Abbildung weiter oben), welche verursachen das im Bereich bis 60 Meter von der meist höher gelegenen Antenne hohe Belastungen auftreten können. Er schreibt [1]:

“Erst in einem Abstand von ca. 30 Metern gelangt man im obigen Beispiel in den Wirkungsbereich der Hauptkeule und erreicht bei 50 – 60 Meter das Maximum der Hauptkeule. Von diesem Punkt an fällt die Leistungsflussdichte kontinuierlich ab.”

Insofern ist seiner Berechnungen nach (klar) widerlegt das es unter der Antenne ‘nichts ist’ und dieses absolute Unkenntnis zum Ausdruck bringt. So gehen viele Einflussfaktoren in die Immissionsberechnung ein, welche ohne konkrete Messung nicht seriös bestimmt werden könne. Einen wichtigen Punkt hat er jedoch noch:

“Die statistische Auswertung der Messergebnisse zeigt, dass im Mittel bei bestehendem Sichtkontakt zur Sendeanlage um den Faktor von ca. zehn höhere Leistungsflussdichte anzutreffen sind als ohne Sichtkontakt”

Und um alles noch mal im Kontext zu haben: Baubiologen empfehlen für Schlafräume maximal 10µW/m² – also 1E-005W im obigen Beispiel. Ein paar Wände in Richtung der Sendeanlage können also nicht schaden – natürlich nur, wenn das Haus und das Umfeld auch keine WLAN’s, Mobil. oder Schnurlostelefone aufweist.

Emissionen von Smartphones

Virnich weist jedoch noch auf einen anderen Aspekt hin: Das alte einfache Mobiltelefon hatte sich nur ab und zu mal bei dem Netzwerk gemeldet: Bei Ortsveränderung, nach Empfangsstärke und je nach Auslastung der Funkzelle. Lag es im Standby herum, dann wurde (seinen Messungen nach) teils nur ca. alle 4h einmal ganz kurz etwas gesendet.

Bei einem Smartphone laufen jedoch bereits ohne zusätzliche Apps und Updates viele Prozesse, welche selbst im Standby ca. alle 10 Minuten (oder öfter) einen Datentransfer auslösen (Anm.: im Test ein Android-Smartphone, Modell Galaxy S3, ggf. mit Android 4 oder 5). Sind Apps wie WhatsApp, Facebook, Twitter, eMail und Updates aktiv, dann wird die Daten-Aktivität noch gesteigert. Ist zusätzlich WLAN aktiv, dann entstehen Emissionen bei Mobilfunk und WLAN.

Um all dies zu vermeiden hilft nur der Flugmoduswie ich schon berichtete.

Mein Fazit

Die heutigen effektiven Leistungsdichten haben nichts mit denen von vor 10 Jahren zu tun. Die Veränderungen sind in der Regel unsichtbar – mal abgesehen von der langen Liste der WLANs in der Nachbarschaft. Die Rechnung ist jedoch einfach: Mehr Funkzeugs, was mehr genutzt wird und mit mehr Impuls-Spitzenleistung funkt – das alles verändert unsere EMF-Umwelt exponentiell.

Das eigene Umfeld

Hier ist die Frage: Wie viel von dem ganzen Zeug gibt es in der direkten Umgebung? – und wie viel von dem wird aktiv (meist durch Datentransfers) genutzt? Innenstädte, Hochhäuser, Büros und Wohnblocks sind hier zwangsweigerlich betroffen – wie ich schon eingangs schrieb.

Dies war ein Grund, warum ich aus der (Innen-)Stadt weggezogen bin. Dort hatte ich im Schnitt Peak-Dauer-Messwerte um 100µW/m² und mehr – also deutlich über dem Bereich den Baubiologen für Schlafräume empfehlen. Dort wo ich jetzt schlafe sind Sie im Bereich von ca. 0,1-1µW/m². Wie kommt der Unterschied meines Erachtens zu Stande? Ganz einfach – damals hatte ich:

  • 6 Mobilfunk‘masten’ (bzw. Sendeeinrichtungen) im Umkreis von ca. 600 Metern
    • Die haben natürlich einen Grund: Viele Menschen telefonieren viel….
  • Bei 60 WLANs im Empfangsbereich habe ich aufgehört zu zählen…
    • Ca. 10 davon sehr stark.
    • Immer mehr Tablets, WLAN-Lautsprecher, Alexas, WLAN-Kameras & Co.,
      • welche alle regelmäßigen Datentransfer verursachen.
  • Unzählige DECT-Schnurlostelefone
    • Dauersender mit voller Power,
      • weil kaum einer den ECO-DECT Modus auch wirklich aktiviert!
  • Babyphones
    • Ganz gruselige Abstrahlung… und auch ein Dauersender!
  • Alleine 5 Bluetooth-Geräte im direkten Empfangsbereich
    • und die reichen ja eigentlich nicht weit…
  • Heimvernetzung & IoT-Zeugs
    • Lampen, DECT-Funksteckdosen, Sensoren, etc. pp.

So kann ich mich Dr. Kruse nur anschließen – wer handelt zieht aus den Innenstädten weg, verkabelt alles und nutzt das drahtlose Krams so wenig wie nur irgendwie möglich. Wie ich das ganze in und mit dem ÖPNV löse weiß ich derzeit noch nicht. Dort stehen ja zig Menschen um mich herum, die alle auf Ihren Smartphones rumdaddeln und aus mir einen modernen ‘Mobilfunk’-Passivraucher machen.

Was ich sonst noch so mache, habe ich schon vor über 1 Jahr hier zusammengeschrieben.


Quellen /Links

  • [1] Technische Aspekte der Mobilfunktechnologien, Dr.-Ing. Martin H. Virnich, Leiter der Fachgruppe „Physik“ im VDB e.V. , Referat bei der Anhörung zum Thema „Mobilfunk“ im Südtiroler Landtag, 29. April 2015
  • [2] Dr Jack Kruse – nnEMF & 5G – Coming Serious Challenges to Optimized Health & Wellness, Health Cast Now, 28.2.2018
    • Teil 1Teil 2Teil 3
    • Viel über die potentiellen Auswirkungen von 5G Mobilfunk im ‘Kruse Style’ – also nicht immer technisch korrekt.
  • [3] Autoimmune diseases and children health – With Dr. Jack Kruse, Israelischer Podcast, 5.2.2018
    • Viel zu 5G und der zunehmenden Leistungsdichte als Kernfaktor der Belastungsproblematik auch ‘Kruse Style’.
  • [4] Nebenkeulen, Gigaherz.ch, 18. November 2009