José de Jesús Rugeles Uribe1, Antonio Jaimes Oviedo2, Víctor Hugo Sánchez Barón3, Óscar Alberto Mantilla Prada4, Eduard Sastoque Gálvez5
1 Ingeniero electricista, ingeniero electrónico, magíster en ingeniería electrónica, Universidad Industrial de Santander, Colombia. Investigador y docente, Grupo de Conectividad y Procesado de Señales CPS, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. joserugeles@ieee.org, joserugelesuribe@gmail.com
2 Ingeniero electricista, Universidad Industrial de Santander, Colombia. Profesional universitario, Dirección Territorial del Ministerio de Comunicaciones, Bucaramanga, Colombia. ajaimes@mincomunicaciones.gov.co
3 Ingeniero electricista, magíster en potencia eléctrica, Universidad Industrial de Santander, Colombia. Candidato a Ph.D. en ingeniería, Universidad del Valle, Colombia. Investigador, grupo de Investigación en Alta Tensión. Profesor asistente, Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad del Valle, Cali, Colombia. vhs@univalle.edu.co ]]>
RESUMEN
Este artículo presenta una descripción de los resultados alcanzados en la comprobación de los límites de exposición humana para el rango de frecuencias de 10KHz hasta 3GHZ en la ciudad de Bucaramanga (Colombia) teniendo en cuenta las disposiciones del Decreto 195 2005, aprobado por el Ministerio de Comunicaciones, basado en la recomendación K.52 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Fue posible comprobar, mediante una campaña de medidas, que los niveles de exposición a radiaciones electromagnéticas obtenidas en tres lugares de la ciudad considerados sensibles no superaron en ninguno de los casos los límites de exposición. Se consideraron, además de las bandas de telefonía móvil, emisiones de amplitud modulada, frecuencia modulada y televisión, instaladas en los sitios de medida desde hace varios años. En todos los casos los niveles obtenidos de intensidad de campo eléctrico superaron los 100 dBuV/m, con un valor máximo de de 139 dBuV/m, niveles que están muy por debajo de los límites de exposición establecidos por la norma K-52. Los niveles más altos para la exposición de público general fueron 1,74964. % en la banda de AM y 0,006408 % para la banda de celular entre 869 y 894 MHZ. Se presenta además una descripción de los módulos: límites de exposición, adquisición y georreferenciación, implementados en la herramienta EspecVIEW, diseñada para realizar diversos tipos de campañas de medida por parte de los funcionarios del ministerio y empleada en este estudio.
Palabras clave: patrón de radiación, campo eléctrico, campo magnético, polución electromagnética, exposición ocupacional, UIT k.52, Decreto 195 2005, ICNIRP, GPS, NMEA.
ABSTRACT
This article presents an overview of the results obtained from testing the limits of human exposure to 10KHz to 3GHZ frequencies in the city of Bucaramanga (Colombia), taking into account decree 195-2005 approved by the Colombian Ministry of Communications, based on International Telecommunication Union (ITU) recommendation K.52. Measuring levels of exposure to electromagnetic radiation at three chosen locations in the city considered to be sensitive did not reveal that exposure limits were being exceeded. Mobile phone, modulated amplitude emission, frequency modulation and television bands installed at the sites several years ago were also measured. Levels obtained from electric field strength exceeded 100 dBuV / m in all cases, maximum value being 139 dBuV / m. Levels were well below exposure limits established by the K-52 rule. The highest levels for the general public’s exposure were 1.74964% in the AM band and 0.006408% for the cellular band between 869 and 894 MHz. This article also contains a description of the modules, exposure limits, acquisition and geo-positioning using the EspecVIEW tool designed for performing several types of measurements by Ministry officials and used in this study.
Keywords: radiation pattern, electric field, magnetic field, electromagnetic pollution, occupational exposure, ITU k.52, 195-2005 decree, ICNIRP, GPS, NMEA.
Recibido: diciembre 11 de 2006
Aceptado: octubre 16 de 2007
La constante evolución de los servicios de telecomunicaciones ha generado una proliferación de sistemas de comunicación inalámbrica como radio, televisión, telefonía móvil, celulares, beepers, GPS, redes de área local, y en la actualidad se vislumbra una rápida masificación de nuevos sistemas como son las redes inalámbricas de banda ancha Wi-Max, redes de área personal WiFi y redes de sensores inalámbricos (IEEE 802.15.4).
Es claro que todos estos sistemas mejoran la calidad de vida de los usuarios, acortando distancias, comunicando el mundo entero y permitiendo el acceso a la sociedad de la información a grupos de personas localizadas en lugares remotos. Pero al mismo tiempo, son fuentes intencionales de ondas de radio que ocasionan una mayor ocupación del espectro radioeléctrico y generan cierta preocupación en la sociedad debido al aumento de la llamada polución electromagnética. Esto se ve reflejado en algunas publicaciones en medios de comunicación escrita en diversas partes del mundo, donde se presentan los servicios de comunicación inalámbrica como una amenaza a la salud pública.
En Colombia. con el crecimiento de la telefonía móvil ha aumentado también la preocupación de la comunidad por los riesgos que la instalación de torres de telefonía celular cerca de sus lugares de vivienda o trabajo. Esto se evidencia en la cantidad de reclamos, derechos de petición y tutelas6 recibidas por entidades de control ambiental, como la CDMB7 en la ciudad de Bucaramanga. Esta problemática se ha discutido en algunos espacios académicos8 , en un foro regional9 y otro nacional10, donde participaron expertos en el tema, representantes de la comunidad, la academia, empresas de telecomunicaciones y las diversas entidades de regulación. El Ministerio de Comunicaciones expidió el Decreto 195 (Ministerio de Comunicaciones, 2005), donde estableció para Colombia los límites de exposición de las personas a campos electromagnéticos basándose en la recomendación K.52 (UIT, 2000) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y definió los requisitos únicos para la instalación de estaciones radioeléctricas. A partir de estas discusiones se evidenció la necesidad de realizar estudios y campañas de medida locales que permitieran establecer el cumplimiento de la normatividad en el país. Si bien es cierto que el tema se viene estudiando en varios países (Giuliani et al.,2003;Davide et al., 2001; Salovarda y Malaria, 2006), es necesario analizar las condiciones especificas de los servicios de radiocomunicación en Colombia. El Ministerio de Comunicaciones, aunque cuenta con avanzados equipos de medida, carece de herramientas de análisis y protocolos de medida teniendo en cuentas las normativas aprobadas. Se requiere entonces profundizar en las técnicas de medición para radiofrecuencia y realizar estudios de casos que permitan evaluar los niveles de exposición, y que generen una base de conocimiento lo suficientemente amplia acerca de la problemática que permita sustentar los conceptos que entidades como las secretarias de Planeación Territorial o las entidades ambientales, solicitan al Ministerio de Comunicaciones respecto a las decisiones administrativas necesarias en los casos de reclamos y demandas de los usuarios que se sienten afectados por la instalación de algún tipo de antena. Por esa razón, el objetivo principal del trabajo presentado en este articulo fue desarrollar y validar una herramienta que permitiera al Ministerio de Comunicaciones realizar mediciones y análisis de intensidad de campos electromagnéticos, a partir de la normas K.52 de la UIT y del Decreto 195 del 2005 del Ministerio de Comunicaciones, empleando los equipos de medida con los que contaba para las labores de análisis espectral.
Existen antecedentes de algunas investigaciones realizadas en la ciudad de Bucaramanga empleando los equipos del Ministerio de Comunicaciones (García et al., 2004 y 2005), trabajos que han aportado al estudio de la problemática, pero donde la información ha resultado muy limitada debido a la lectura manual de los instrumentos de medida. Surgió entonces la necesidad de diseñar un sistema portátil que permitiera la medición automática de campos electromagnéticos generados por sistemas inalámbricos para frecuencias de operación en el rango de 10KHz a 3GHz; a esta herramienta se le llamó EspecVIEW, la cual contiene, entre otros, un módulo de análisis para la comprobación de los límites de exposición relacionados en la recomendación K.52. EspecVIEW fue desarrollado empleando la plataforma software LabVIEW, un receptor miniport receiver EB200 (Rhode y Schwarz, 2000) y un GPS Garmin EtrexVista. La herramienta está compuesta por cinco módulos: adquisición de datos, georreferenciación, monitoreo AM-FM comercial, almacenamiento-análisis y comprobación de límites de exposición. En este artículo se describen los resultados alcanzados en las campañas de medida realizadas en tres puntos diferentes de la ciudad de Bucaramanga y una descripción de los módulos: adquisición de datos, georreferenciación y límites de exposición de la herramienta desarrollada.
Límites de exposición
Los límites propuestos por la Comisión Internacional sobre la Protección contra Radiaciones no Ionizantes (ICNIRP) (Tabla 1) determinan los niveles de referencia máximos de exposición de las personas, ya sea en unidades de campo eléctrico (V/m), campo magnético (A/m) o densidad de potencia (W/m2), para una frecuencia determinada; existiendo dos tipos de límites de exposición definidos: ocupacional y público general. El límite ocupacional se aplica a las situaciones donde las personas están expuestas a radiaciones electromagnéticas por causa de su trabajo; los límites de público general son aplicables para todas las personas cuyo oficio no está relacionado con las fuentes de ¬ emisión radioeléctricas. En la Figura 1 se observan las zonas de exposición: conformidad, ocupacional y rebasamiento, definidas por la recomendación UIT K.52.
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En la zona de conformidad la exposición potencial a los campos electromagnéticos está por debajo de los límites aplicables a la exposición ocupacional/controlada y a la exposición no controlada del público en general. En la zona ocupacional la exposición está por debajo de los límites aplicables a la exposición controlada/ocupacional, pero sobrepasa los límites aplicables a la exposición no controlada del público en general, y en la zona de rebasamiento, la exposición sobrepasa los límites aplicables a la exposición controlada/ocupacional y a la no controlada del público en general. Además de las zonas, existen límites de exposición para campo eléctrico y magnético (figuras 2 y 3), definidos de acuerdo a la frecuencia de operación.
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Debido a la cantidad de servicios inalámbricos existentes y su acción simultánea sobre los individuos, se requiere una evaluación que considere el aporte de todas las señales presentes en un sitio en un momento dado. Para esta evaluación la recomendación K.52 proporciona una expresión para determinar el aporte de cada una de las fuentes, para un rango de frecuencias comprendido desde 1 kHz a 300 GHz. En las frecuencias bajas (inferiores a 10 MHz), los efectos fisiológicos importantes se deben a la densidad de corriente inducida, mientras que a las frecuencias más altas (superiores a 100 KHz), los efectos fisiológicos importantes se deben a la tasa de absorción especifica SAR (Specific absortion rate). Para considerar el efecto de múltiples fuentes se debe realizar una suma ponderada tanto para el campo eléctrico (ecuaciones 1 y 2), como para el magnético (ecuaciones 3 y 4).
Para los campos eléctricos:
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Donde:
Ej= Intensidad de campo eléctrico a la frecuencia j.
El,i= Límite de referencia a la frecuencia i
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Para los campos magnéticos:
Donde:
Hi= Intensidad de campo magnético a la frecuencia j
Hl,i= límite de referencia a la frecuencia
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Implementación del cálculo de límites de exposición
Para el diseño del software se tiene en cuenta la Tabla 1; para la asignación del límite expresado en dBuV/m, mediante la ecuación (5).
Los rangos y niveles de la Tabla 1 permiten crear una mascara de límites de exposición sobre el espectro capturado, como se observa en las figuras 4 y 5, de manera que es posible determinar los sobrepasos.
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Esta función de la herramienta permite determinar las zonas de conformidad, detectar los emisores cuyo nivel superan los límites de exposición, y además muestra la exposición porcentual tanto del público general, como el ocupacional.
Adquisición de datos
La herramienta EspecView utiliza el equipo Miniport receiver EB200 (Figura 6) que permite obtener lecturas en un rango de 9 KHz a 3 GHz. Para su implementación, se estudió el protocolo de comunicación serial empleado por el instrumento y se desarrolló el algoritmo de comunicación, de manera que fue posible controlar todas las funciones del instrumento mediante comandos enviados desde el software. Para medir el espectro en el rango 9 KHz a 3 GHz fue necesario utilizar antenas adecuadas de acuerdo al rango de medida. Se emplearon tres antenas diferentes para barrer este rango del espectro (Tabla 4). Desde 9 KHz a 20 MHz se utilizó una antena Loop HE200 HF marca Rhode&Schwarz; de los 20 MHz a 330 MHz se seleccionó la antena Bicónica SAS542 A.H. Systems, INC, y de los 20 MHz – 3GHz se utilizó una antena helicoidal de marca desconocida, suministrada por la empresa Rhode&Schwarz.
Durante la selección de las antenas se consideró la disponibilidad de las mismas en todas las direcciones territoriales (sedes del Ministerio en Colombia), de manera que los resultados obtenidos con este trabajo se pudiesen replicar por los funcionarios en cualquier parte de Colombia.
En las mediciones de niveles de intensidad de campo se hace necesario utilizar antenas con un patrón onmidireccional (Antenna Research Associates,1999; Rhode y Schwarz, 2000) para considerar todas las posibles señales incidentes. En las figuras 7 y 8 se presentan los patrones de radiación correspondientes a cada una de ellas. Las magnitudes de límites de referencia (Tabla 1) dadas por la Comisión internacional de Protección Contra Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP) se establecen para medidas eficaces de intensidad de campo eléctrico (V/m), intensidad de campo magnético y densidad de potencia (W/m2), por esta razón se requiere una transformación de unidades de dBuV a dBuV/m para las medidas realizadas con el Miniport EB200; para esto se adiciona un factor k de antena al nivel de voltaje V indicado por el receptor de prueba, como muestra la ecuación 6.
Factor k para antena helicoidal
Para determinar este factor es necesario conocer la ganancia de la antena relacionada a la frecuencia de estudio, como se muestra en la ecuación (7). La ganancia se calcula mediante la ecuación (8)
Donde Gt(dBi) es la ganancia de la antena transmisora; Pr(dBm), la potencia recibida; Pt(dBm), la potencia transmitida; Fo(dB) corresponde a las pérdidas de espacio libre y Gr (dBi) es la ganancia de la antena receptora. Para determinar las perdidas de espacio libre se emplea la ecuación (9)
Donde Fo es la pérdida de espacio libre (dB); F, la frecuencia en GHz; D, la distancia en kilómetros, y G, la ganancia de la antena;
El procedimiento para obtener la ganancia de la antena helicoidal consistió en la ubicación a una distancia de 30 metros de dos equipos en espacio libre, uno operando como transmisor y el otro como receptor; la antena helicoidal bajo prueba se instaló en el transmisor con una potencia constante de 13 dBm, como se muestra en la Figura 11.
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Se recorrió toda la banda desde 20 MHZ a 3GHz capturando la señal recibida. Los valores encontrados y la aplicación de la ecuación de espacio libre (9) permitieron parametrizar el comportamiento de la ganancia respecto a la frecuencia y determinar el factor k correspondiente mediante la ecuación (7). Los resultados obtenidos para el factor k de la antena helicoidal se muestran en la Figura 12. El calculo de este parámetro permitió ajustar las mediciones realizadas con el equipo Miniport receiver.
Georreferenciación
Este módulo permite obtener datos geográficos sobre latitud, longitud, altura, hora y orientación provenientes de un GPS Garmin EtrexVista; esta información es indispensable para georrefenciar medidas de intensidad de campo, generación de información sobre zona de servicio para estaciones radiales y seguimiento a señales ilegales. En este trabajo fue necesario realizar un estudio detallado de los protocolos y estándares utilizados por los dispositivos GPS requeridos para el desarrollo del software. Se presenta a continuación la información acerca de la estructura del formato de datos NMEA que puede resultar de utilidad para crear otras aplicaciones que utilicen dispositivos GPS.
Comunicación serial con el GPS
Los datos se transmiten desde el GPS al PC vía RS232, a 4.800 bps, 8 bits por dato, sin paridad y con un bit de parada utilizando el formato NMEA (National Marine Electronics Association); estos datos incluyen información PVT (posición, velocidad y tiempo); el formato NMEA se fragmenta en líneas de comandos llamados sentencias, que contienen, independientemente del orden, los datos necesarios para la georreferenciación. El estándar NMEA tiene dos letras como prefijo que identifican el tipo de equipo. Las sentencias de la marca Garmin se identifican como GP; cada sentencia comienza con el símbolo $, tiene un máximo de 80 caracteres terminando con un fin de línea y retorno de carro; la información está separada por comas y al final es enviado un dato de comprobación.
Sentencias NMEA
En la Tabla 5 se despliga una captura de datos obtenidos de un GPS Garmin a través del puerto serial; la trama de datos está compuesta por doce sentencias con información típica que el EtrexVista (Garmin, 2000) genera cada dos segundos y a partir de las cuales se obtuvo la información necesaria diseñar la herramienta software.
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Las cuatro sentencias de mayor relevancia para el desarrollo del módulo de georreferenciación son: $GPRMC, $GPGGA, $PGRMM y $HCHDG. Su interpretación se registra en la Tabla 6.
Campañas de medida
Se seleccionaron algunos sitios en la ciudad de Bucaramanga para establecer los niveles de exposición a público general y ocupacional para múltiples fuentes, empleando la herramienta EspecVIEW. La selección de los sitios se realizó teniendo en cuenta la proximidad a fuentes de radiación intencional. Se consideraron los servicios de amplitud modulada (AM), frecuencia modulada (FM) y telefonía móvil en las bandas donde se concentra la mayor cantidad de emisiones intencionales. Se seleccionaron tres sitios: Un conjunto habitacional del barrio Provenza, (Figura 13) cerca a tres estaciones base de diversos operadores de telefonía móvil localizado en un área densamente poblada en el centro del área metropolitana de la ciudad de Bucaramanga (conjunto residencial); otro sitio (Aeropuerto) corresponde a una zona muy cercana al aeropuerto Palonegro (Figura 14), en el occidente de la ciudad, donde se encuentran algunos transmisores de FM, y un tercer sitio (Zona de transmisores), en el extremo oriente de la ciudad (Figura 15), donde están instalados transmisores de AM y telefonía móvil, en sus alrededores existen viviendas y restaurantes.
]]> En la Figura 13 se puede apreciar la proximidad de una de las antenas de telefonía móvil con la edificación de cinco pisos. Se seleccionó este sitio por ser uno de los lugares donde la comunidad presentaba reclamos ante el Ministerio de Comunicaciones, por existir tres estructuras de antenas de telefonía móvil, cercanas a las viviendas. En la Figura 14 se observan las estructuras de las antenas omnidireccionales empleadas por transmisores de potencia localizados en el Aeropuerto Palonegro.
Esta zona se consideró sensible por la proximidad a las instalaciones del aeropuerto y porque sus empleados se ven expuestos constantemente a las señales provenientes de estos transmisores. En la Figura 15 es evidente la alta densidad de antenas en la estructura, lo cual preocupa a la comunidad aledaña. La mayoría de antenas instaladas en este lugar corresponden a reflectores parabólicos, con una alta directividad, empleados en servicios de microondas, los cuales requieren línea de vista con los otros puntos para su funcionamiento. También en estas estructuras se encuentran instaladas antenas para transmisiones de amplitud modulada. Los resultados de las campañas de medida se presentan en la Tabla 7.
Resultados de la campaña de medida
Conjunto Residencial
De acuerdo a los resultados consignados en la Tabla 7, se puede concluir que para este sitio no se exceden los límites en ningún caso. El máximo nivel alcanzado corresponde a la banda de servicios comerciales de amplitud modulada, con un valor porcentual de 0,00749% para público general y de 0,0010687% para exposición ocupacional teniendo en cuenta la norma K.52. En las bandas celulares, aunque las antenas están ubicadas muy cerca al sitio de la medida (50 m) los niveles alcanzados para público general fueron de 0,00001859% y 0,0000039039% para exposición ocupacional.
]]> AeropuertoPara este sitio no se encontró ningún caso de sobrepaso público u ocupacionalque superara los límites de exposición. En el sitio del aeropuerto se hallo que los niveles más altos siguen correspondiendo a los servicios de AM, alcanzando un porcentaje de 0,285549% para la exposición a público general.
Zona de transmisores
Para la zona de transmisores se evidencia un aumento de los niveles para la exposición de público general con un valor de 1,74964% en la banda de AM y un aumento de los niveles en la banda de telefonía móvil respecto del aeropuerto, alcanzando valores de 0,006408% para la exposición a público general y 0,001346% para la ocupacional. El caso más extremo no alcanza el 2% del límite establecido por el Decreto 195 del Ministerio de Comunicaciones en exposición a público general y corresponde al servicio de AM en cercanía de los transmisores. Para los otros servicios los niveles alcanzados están muy por debajo de los límites, siendo el valor porcentual más alto de 0,006408%, registrado en inmediaciones de la zona de transmisores.
Conclusiones
Fue posible comprobar mediante una campaña de medidas y la herramienta de análisis EspecView, que los niveles de exposición a radiaciones electromagnéticas obtenidos en tres lugares de la ciudad, consideradas sensibles, no superaron en ninguno de los casos los límites de exposición. Se consideraron además de las bandas de telefonía móvil, emisiones de amplitud modulada, frecuencia modulada y televisión que se encuentran instaladas hace varios años en esos lugares. En todos los casos los niveles obtenidos superaron los 100 dBuV/m, con un valor máximo de de 139 dBuV/m, niveles que están muy por debajo de los límites de exposición establecidos por la norma K.52.
EspecView es una herramienta portátil que emplea equipos de propiedad del Ministerio de Comunicaciones y que permite automatizar mediciones en la banda de 10 KHz a los 10 GHz y realizar análisis especializados, como la comprobación de los niveles de exposición a radiaciones electromagnéticas de acuerdo a la recomendación K.52 adoptada por el Ministerio de Comunicaciones en Colombia mediante el Decreto 195 del 2005.
Es necesario realizar mediciones en otros sitios, de manera que se pueda perfeccionar el protocolo de medición y ampliar las bases de datos con medidas que permitan analizar casos de reclamos por parte de la comunidad e identificar sitios que pudieran exceder los límites de exposición.
Se requiere en estudios en ambientes cerrados donde la explosión de servicios de comunicación inalámbrica de corto alcance hace que los niveles de exposición permanente se hayan incrementado en los últimos años debido a la aparición de tecnologías como Bluetooth y redes inalámbricas de área personal W-LAN, y donde van a operar dispositivos con nuevas tecnologías inalámbricas de área personal, como ZigBee y Ultra Wide Band.
Perspectivas
]]> El futuro es completamente inalámbrico y entregará grandes beneficios a la humanidad, pero los niveles de radiación electromagnética van a aumentar con el tiempo y es necesario dar importancia a las investigaciones sobre los efectos biológicos de las señales radioeléctricas de manera que sea posible generar parámetros de diseño y regulaciones en materia de seguridad para la instalación y operación de los sistemas inalámbricos, en sitios como viviendas y lugares de trabajo, donde los niveles de exposición son prolongados.El IEEE aprobó en octubre de 2005 un nuevo estándar, el IEEE C95.1,, Standar for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 KHz to 300 GHz. Está basado en el estándar anterior IEEE C95.1-1991. Esta nueva versión presenta algunas diferencias con respecto a las disposiciones actuales de la ICNIRP para las bandas de telefonía móvil así como para dispositivos y sistemas inalámbricos actuales. Hoy en día se trabaja en la integración de esta norma a la herramienta EspecView.
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6 El derecho de petición está consagrado en la Constitución Política de Colombia como fundamental, es decir, que hace parte de los derechos de la persona humana y que su protección judicial inmediata puede lograrse mediante el ejercicio de tutela.
7 Corporación Autónoma Regional para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga (Colombia). http://www.cdmb.gov.co.
8 Seminario Internacional "Electromagnetic Fields and Human Health", Universidad Industrial de Santander, Noviembre 2006.
9 Foro regional, "Telecomunicaciones, salud y medio ambiente", Bucaramanga, Dirección territorial, Ministerio de Comunicaciones - Corporación Autónoma Regional para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga, CDMB. diciembre 13 de 2003.
10 Foro Nacional, Ministerio de Comunicaciones, Ministerio de la Protección Social, octubre de 2004.