Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)電磁輻射環(huán)保性能分析

熊金州

介紹了國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)以及Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)和各種手機(jī)的發(fā)射功率，并通過(guò)理論計(jì)算證明Small Cell滿足我國(guó)電磁輻射指標(biāo)要求。然后對(duì)比安裝Small Cell前后室內(nèi)電磁功率密度，證明安裝Small Cell覆蓋后，室內(nèi)電磁輻射的環(huán)保性能普遍得到改善。

Small Cell 電磁輻射 功率密度

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-06-0094-03

1 前言

早期家庭型2G或3G小基站稱為Femtocell，2012年Femtocell論壇將小基站稱為Small Cell。Small Cell可將含GSM/CDMA/WCDMA/LTE中的一種或多種移動(dòng)通信技術(shù)與WLAN（Wi-Fi）集成于一體，同時(shí)具備移動(dòng)電話接入和互聯(lián)網(wǎng)接入功能。這種2G/3G/4G+WLAN的家庭網(wǎng)關(guān)（也稱多模小基站）安裝在用戶室內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射是否滿足國(guó)家環(huán)保局的指標(biāo)要求呢？下面將介紹國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)室內(nèi)安裝Small Cell后的電磁環(huán)境進(jìn)行電磁輻射評(píng)估。

2 國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表如表1所示。

電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定是以電磁波連續(xù)照射6分鐘使人體體溫上升0.5攝氏度為限值。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是投票決定的，首先由標(biāo)準(zhǔn)院起草標(biāo)準(zhǔn)，并從各州選派100名各種職業(yè)人士包括工人、農(nóng)民、醫(yī)生、工程師等為代表進(jìn)行投票過(guò)半數(shù)通過(guò)。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)院做過(guò)實(shí)驗(yàn)，挑選200只健康小白鼠分兩籠喂養(yǎng)，對(duì)其中一籠進(jìn)行10倍標(biāo)準(zhǔn)的射頻大功率照射（即10×30W/m2的功率密度），在喂養(yǎng)人員并不知情的情況下，一年后受照射的100只小白鼠健康存活，而另一籠有3只死亡，對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果該如何評(píng)估？美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)院的實(shí)驗(yàn)其功率密度（300W/m2）是相當(dāng)于等效距離1m處用3 700W發(fā)射機(jī)或等效距離3m處用34 000W照射小白鼠。這一結(jié)果只能說(shuō)明美國(guó)制定的功率密度標(biāo)準(zhǔn)要求還是太低，而中國(guó)電磁標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度可以與前蘇聯(lián)相媲美。從表1可以看出，中國(guó)環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)嚴(yán)格的，如從功率密度p的要求來(lái)看，與美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)院相比要高出30W/0.4W=75倍。本文選定的是中國(guó)國(guó)家環(huán)保局制定的標(biāo)準(zhǔn)。

3 Small Cell的發(fā)射功率

各種發(fā)射設(shè)備射頻功率如表2所示：

表2只列舉設(shè)備最大發(fā)射功率，而實(shí)際發(fā)射功率受系統(tǒng)控制。如GSM有30dB控制量，最小發(fā)射功率為0.25mW；CDMA或WCDMA手機(jī)有70dB控制量，最小的發(fā)射功率為0.01μW左右。下面計(jì)算Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)、2G/3G手機(jī)在發(fā)射信號(hào)時(shí)的功率密度。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，電磁輻射的功率密度計(jì)算公式如下：

（1）

其中，SD為功率密度（單位為W/m2）；Pt為發(fā)射功率（單位為W）；R為距發(fā)射機(jī)距離（單位為m）；Gt為該方向上的增益，值為1，對(duì)應(yīng)0dB。

Small Cell的發(fā)射功率Pt=0.02W，則根據(jù)公式（1），Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)作為發(fā)射體，假定距離用戶接收處0.5m、1m進(jìn)行功率密度計(jì)算：

當(dāng)R=0.5m時(shí)，Pt=0.02W，則SD=0.006W/m2，小于輻射指標(biāo)0.4/0.006=66倍。

當(dāng)R=1m時(shí)，Pt=0.02W，則SD=0.002W/m2，小于輻射指標(biāo)0.4/0.002=200倍。

2G（CDMA800）手機(jī)在弱覆蓋區(qū)（場(chǎng)強(qiáng)-88dBm）

打電話時(shí)，依據(jù)文獻(xiàn)[3]開環(huán)功率控制相關(guān)公式：手機(jī)發(fā)射功率=-73dB-（接收到的功率）=-73- （-88）=15dBm=30mW。假定手機(jī)距人耳R=0.01m，則功率密度為SD=24W/m2，大于中國(guó)輻射指標(biāo)24/0.4=60倍，但能滿足美國(guó)國(guó)標(biāo)30W/m2。

當(dāng)室內(nèi)信號(hào)越差時(shí)，由開環(huán)功率控制手機(jī)發(fā)射功率計(jì)算公式可知，手機(jī)發(fā)射功率越大，則手機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射功率密度就越高。

由以上對(duì)比結(jié)果可知，Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)滿足國(guó)標(biāo)規(guī)范，而手機(jī)由于實(shí)際使用很靠近人耳，手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度超國(guó)標(biāo)。關(guān)于手機(jī)是否能用的問(wèn)題，實(shí)際情況很復(fù)雜，用簡(jiǎn)單功率密度計(jì)算可能不準(zhǔn)確。有人建議采用電磁波平均比吸收率SAR來(lái)評(píng)估，但實(shí)際操作非常困難。依據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)于電磁輻射源的管理3.1.1條款規(guī)定“輸出功率等于和小于15W（瓦）的移動(dòng)式無(wú)線電通信設(shè)備，如陸上、海上移動(dòng)通訊設(shè)備及步話機(jī)等，可以免于管理”，從而取得豁免權(quán)。2G/3G手機(jī)終端均在豁免之列。

4 室內(nèi)電磁輻射環(huán)境安全性討論

下面討論安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)前后室內(nèi)電磁輻射水平對(duì)比情況。

安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之前，信號(hào)源來(lái)自室外宏基站，射頻信號(hào)通過(guò)墻體產(chǎn)生較大穿透損耗，室內(nèi)普遍存在信號(hào)弱覆蓋區(qū)。當(dāng)手機(jī)發(fā)起呼叫時(shí)，功率較大且又緊靠人耳，輻射量超國(guó)標(biāo)，如上文計(jì)算超標(biāo)60倍，但滿足美國(guó)國(guó)標(biāo)。

安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之后，信號(hào)源來(lái)自本室內(nèi)的家庭網(wǎng)關(guān)。上文已論證了家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生的輻射劑量比國(guó)標(biāo)低66倍，這時(shí)還是要論證手機(jī)在此電磁環(huán)境下打電話是否滿足國(guó)標(biāo)要求。

假定手機(jī)距離信號(hào)源Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)1m、5m和10m處打電話進(jìn)行安全性分析：

（1）假定手機(jī)在距離家庭網(wǎng)關(guān)（信號(hào)源）1m處信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為-50dBm（實(shí)測(cè)通常為-45～75dBm）打電話，手機(jī)發(fā)射上行功率為-73-（-50）=-23dBm=0.000 005W，SD=0.004W/m2，此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度優(yōu)于國(guó)標(biāo)0.4/0.004=100倍。

（2）當(dāng)手機(jī)距離家庭網(wǎng)關(guān)增至5m時(shí)，路徑損耗增加20lg（5/1）=14dB=25倍，此時(shí)手機(jī)的上行發(fā)射功率從-23dBm增加到-9dBm，同理可計(jì)算得到SD=0.1W/m2，

此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度優(yōu)于國(guó)標(biāo)4倍。

（3）同理，當(dāng)手機(jī)距離家庭網(wǎng)關(guān)從1m擴(kuò)大到10m時(shí)，射頻信號(hào)的路徑損耗增加20lg（10/1）=20dB=100倍，手機(jī)發(fā)射功率從-23dBm增加到-3dBm，可計(jì)算得到SD=0.4W/m2，此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度剛好滿足國(guó)標(biāo)。

通過(guò)以上計(jì)算分析可知，室內(nèi)增加家庭網(wǎng)關(guān)Small Cell覆蓋之后，所有射頻輻射設(shè)備在通話時(shí)都能滿足國(guó)標(biāo)，且距離家庭網(wǎng)關(guān)越近，電磁輻射水平越低。室內(nèi)安裝了家庭網(wǎng)關(guān)后，手機(jī)通話時(shí)發(fā)射功率普遍可以下降100倍（20dB）。同時(shí)還能提升通話質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率，并延長(zhǎng)手機(jī)電池待機(jī)時(shí)間和使用壽命。

此外，隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高。有越來(lái)越多的高端用戶投訴室內(nèi)弱覆蓋引起的通話質(zhì)量或速率不暢等問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)難以得到解決。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，Small Cell通過(guò)接入用戶家庭寬帶提供服務(wù)，施工無(wú)破壞無(wú)噪音、難度低、建設(shè)周期短，并且用戶不用擔(dān)心輻射問(wèn)題，可以快速解決高端用戶投訴問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商都在積極試用和推廣Small Cell的使用，而且京信Nanocell產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了Small Cell與Wi-Fi的融合組網(wǎng)，對(duì)于3G/LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以與WLAN網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)同步進(jìn)行或者利用已有WLAN的網(wǎng)絡(luò)端口建設(shè)，完成熱點(diǎn)覆蓋和盲點(diǎn)覆蓋，具有良好的市場(chǎng)前景。

綜上所述，室內(nèi)安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之后，不僅電磁防護(hù)安全性較好，而且通信質(zhì)量也得到大大提高，是解決用戶投訴便捷有效的手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)聯(lián)通公司. 中國(guó)聯(lián)通WCDMA Home NodeB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制[Z]. 2009.

[2] 蘇華鴻，孫孺石，薛鋒章，等. 蜂窩移動(dòng)通信射頻工程[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2007.

[3] 萬(wàn)曉榆，萬(wàn)敏，李怡濱. CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2003.

[4] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局. GB8702-88 電磁輻射防護(hù)規(guī)定[S]. 1988.

[5] 李鐵軍，金瑞云. Femtocell技術(shù)優(yōu)勢(shì)及與LTE結(jié)合探討[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2012（7）： 47-51.★endprint

介紹了國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)以及Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)和各種手機(jī)的發(fā)射功率，并通過(guò)理論計(jì)算證明Small Cell滿足我國(guó)電磁輻射指標(biāo)要求。然后對(duì)比安裝Small Cell前后室內(nèi)電磁功率密度，證明安裝Small Cell覆蓋后，室內(nèi)電磁輻射的環(huán)保性能普遍得到改善。

Small Cell 電磁輻射 功率密度

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-06-0094-03

1 前言

早期家庭型2G或3G小基站稱為Femtocell，2012年Femtocell論壇將小基站稱為Small Cell。Small Cell可將含GSM/CDMA/WCDMA/LTE中的一種或多種移動(dòng)通信技術(shù)與WLAN（Wi-Fi）集成于一體，同時(shí)具備移動(dòng)電話接入和互聯(lián)網(wǎng)接入功能。這種2G/3G/4G+WLAN的家庭網(wǎng)關(guān)（也稱多模小基站）安裝在用戶室內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射是否滿足國(guó)家環(huán)保局的指標(biāo)要求呢？下面將介紹國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)室內(nèi)安裝Small Cell后的電磁環(huán)境進(jìn)行電磁輻射評(píng)估。

2 國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表如表1所示。

電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定是以電磁波連續(xù)照射6分鐘使人體體溫上升0.5攝氏度為限值。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是投票決定的，首先由標(biāo)準(zhǔn)院起草標(biāo)準(zhǔn)，并從各州選派100名各種職業(yè)人士包括工人、農(nóng)民、醫(yī)生、工程師等為代表進(jìn)行投票過(guò)半數(shù)通過(guò)。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)院做過(guò)實(shí)驗(yàn)，挑選200只健康小白鼠分兩籠喂養(yǎng)，對(duì)其中一籠進(jìn)行10倍標(biāo)準(zhǔn)的射頻大功率照射（即10×30W/m2的功率密度），在喂養(yǎng)人員并不知情的情況下，一年后受照射的100只小白鼠健康存活，而另一籠有3只死亡，對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果該如何評(píng)估？美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)院的實(shí)驗(yàn)其功率密度（300W/m2）是相當(dāng)于等效距離1m處用3 700W發(fā)射機(jī)或等效距離3m處用34 000W照射小白鼠。這一結(jié)果只能說(shuō)明美國(guó)制定的功率密度標(biāo)準(zhǔn)要求還是太低，而中國(guó)電磁標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度可以與前蘇聯(lián)相媲美。從表1可以看出，中國(guó)環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)嚴(yán)格的，如從功率密度p的要求來(lái)看，與美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)院相比要高出30W/0.4W=75倍。本文選定的是中國(guó)國(guó)家環(huán)保局制定的標(biāo)準(zhǔn)。

3 Small Cell的發(fā)射功率

各種發(fā)射設(shè)備射頻功率如表2所示：

表2只列舉設(shè)備最大發(fā)射功率，而實(shí)際發(fā)射功率受系統(tǒng)控制。如GSM有30dB控制量，最小發(fā)射功率為0.25mW；CDMA或WCDMA手機(jī)有70dB控制量，最小的發(fā)射功率為0.01μW左右。下面計(jì)算Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)、2G/3G手機(jī)在發(fā)射信號(hào)時(shí)的功率密度。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，電磁輻射的功率密度計(jì)算公式如下：

（1）

其中，SD為功率密度（單位為W/m2）；Pt為發(fā)射功率（單位為W）；R為距發(fā)射機(jī)距離（單位為m）；Gt為該方向上的增益，值為1，對(duì)應(yīng)0dB。

Small Cell的發(fā)射功率Pt=0.02W，則根據(jù)公式（1），Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)作為發(fā)射體，假定距離用戶接收處0.5m、1m進(jìn)行功率密度計(jì)算：

當(dāng)R=0.5m時(shí)，Pt=0.02W，則SD=0.006W/m2，小于輻射指標(biāo)0.4/0.006=66倍。

當(dāng)R=1m時(shí)，Pt=0.02W，則SD=0.002W/m2，小于輻射指標(biāo)0.4/0.002=200倍。

2G（CDMA800）手機(jī)在弱覆蓋區(qū)（場(chǎng)強(qiáng)-88dBm）

打電話時(shí)，依據(jù)文獻(xiàn)[3]開環(huán)功率控制相關(guān)公式：手機(jī)發(fā)射功率=-73dB-（接收到的功率）=-73- （-88）=15dBm=30mW。假定手機(jī)距人耳R=0.01m，則功率密度為SD=24W/m2，大于中國(guó)輻射指標(biāo)24/0.4=60倍，但能滿足美國(guó)國(guó)標(biāo)30W/m2。

當(dāng)室內(nèi)信號(hào)越差時(shí)，由開環(huán)功率控制手機(jī)發(fā)射功率計(jì)算公式可知，手機(jī)發(fā)射功率越大，則手機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射功率密度就越高。

由以上對(duì)比結(jié)果可知，Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)滿足國(guó)標(biāo)規(guī)范，而手機(jī)由于實(shí)際使用很靠近人耳，手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度超國(guó)標(biāo)。關(guān)于手機(jī)是否能用的問(wèn)題，實(shí)際情況很復(fù)雜，用簡(jiǎn)單功率密度計(jì)算可能不準(zhǔn)確。有人建議采用電磁波平均比吸收率SAR來(lái)評(píng)估，但實(shí)際操作非常困難。依據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)于電磁輻射源的管理3.1.1條款規(guī)定“輸出功率等于和小于15W（瓦）的移動(dòng)式無(wú)線電通信設(shè)備，如陸上、海上移動(dòng)通訊設(shè)備及步話機(jī)等，可以免于管理”，從而取得豁免權(quán)。2G/3G手機(jī)終端均在豁免之列。

4 室內(nèi)電磁輻射環(huán)境安全性討論

下面討論安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)前后室內(nèi)電磁輻射水平對(duì)比情況。

安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之前，信號(hào)源來(lái)自室外宏基站，射頻信號(hào)通過(guò)墻體產(chǎn)生較大穿透損耗，室內(nèi)普遍存在信號(hào)弱覆蓋區(qū)。當(dāng)手機(jī)發(fā)起呼叫時(shí)，功率較大且又緊靠人耳，輻射量超國(guó)標(biāo)，如上文計(jì)算超標(biāo)60倍，但滿足美國(guó)國(guó)標(biāo)。

安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之后，信號(hào)源來(lái)自本室內(nèi)的家庭網(wǎng)關(guān)。上文已論證了家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生的輻射劑量比國(guó)標(biāo)低66倍，這時(shí)還是要論證手機(jī)在此電磁環(huán)境下打電話是否滿足國(guó)標(biāo)要求。

假定手機(jī)距離信號(hào)源Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)1m、5m和10m處打電話進(jìn)行安全性分析：

（1）假定手機(jī)在距離家庭網(wǎng)關(guān)（信號(hào)源）1m處信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為-50dBm（實(shí)測(cè)通常為-45～75dBm）打電話，手機(jī)發(fā)射上行功率為-73-（-50）=-23dBm=0.000 005W，SD=0.004W/m2，此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度優(yōu)于國(guó)標(biāo)0.4/0.004=100倍。

（2）當(dāng)手機(jī)距離家庭網(wǎng)關(guān)增至5m時(shí)，路徑損耗增加20lg（5/1）=14dB=25倍，此時(shí)手機(jī)的上行發(fā)射功率從-23dBm增加到-9dBm，同理可計(jì)算得到SD=0.1W/m2，

此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度優(yōu)于國(guó)標(biāo)4倍。

（3）同理，當(dāng)手機(jī)距離家庭網(wǎng)關(guān)從1m擴(kuò)大到10m時(shí)，射頻信號(hào)的路徑損耗增加20lg（10/1）=20dB=100倍，手機(jī)發(fā)射功率從-23dBm增加到-3dBm，可計(jì)算得到SD=0.4W/m2，此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度剛好滿足國(guó)標(biāo)。

通過(guò)以上計(jì)算分析可知，室內(nèi)增加家庭網(wǎng)關(guān)Small Cell覆蓋之后，所有射頻輻射設(shè)備在通話時(shí)都能滿足國(guó)標(biāo)，且距離家庭網(wǎng)關(guān)越近，電磁輻射水平越低。室內(nèi)安裝了家庭網(wǎng)關(guān)后，手機(jī)通話時(shí)發(fā)射功率普遍可以下降100倍（20dB）。同時(shí)還能提升通話質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率，并延長(zhǎng)手機(jī)電池待機(jī)時(shí)間和使用壽命。

此外，隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高。有越來(lái)越多的高端用戶投訴室內(nèi)弱覆蓋引起的通話質(zhì)量或速率不暢等問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)難以得到解決。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，Small Cell通過(guò)接入用戶家庭寬帶提供服務(wù)，施工無(wú)破壞無(wú)噪音、難度低、建設(shè)周期短，并且用戶不用擔(dān)心輻射問(wèn)題，可以快速解決高端用戶投訴問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商都在積極試用和推廣Small Cell的使用，而且京信Nanocell產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了Small Cell與Wi-Fi的融合組網(wǎng)，對(duì)于3G/LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以與WLAN網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)同步進(jìn)行或者利用已有WLAN的網(wǎng)絡(luò)端口建設(shè)，完成熱點(diǎn)覆蓋和盲點(diǎn)覆蓋，具有良好的市場(chǎng)前景。

綜上所述，室內(nèi)安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之后，不僅電磁防護(hù)安全性較好，而且通信質(zhì)量也得到大大提高，是解決用戶投訴便捷有效的手段。

參考文獻(xiàn)：

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介紹了國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)以及Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)和各種手機(jī)的發(fā)射功率，并通過(guò)理論計(jì)算證明Small Cell滿足我國(guó)電磁輻射指標(biāo)要求。然后對(duì)比安裝Small Cell前后室內(nèi)電磁功率密度，證明安裝Small Cell覆蓋后，室內(nèi)電磁輻射的環(huán)保性能普遍得到改善。

Small Cell 電磁輻射 功率密度

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-06-0094-03

1 前言

早期家庭型2G或3G小基站稱為Femtocell，2012年Femtocell論壇將小基站稱為Small Cell。Small Cell可將含GSM/CDMA/WCDMA/LTE中的一種或多種移動(dòng)通信技術(shù)與WLAN（Wi-Fi）集成于一體，同時(shí)具備移動(dòng)電話接入和互聯(lián)網(wǎng)接入功能。這種2G/3G/4G+WLAN的家庭網(wǎng)關(guān)（也稱多模小基站）安裝在用戶室內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射是否滿足國(guó)家環(huán)保局的指標(biāo)要求呢？下面將介紹國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)室內(nèi)安裝Small Cell后的電磁環(huán)境進(jìn)行電磁輻射評(píng)估。

2 國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表如表1所示。

電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定是以電磁波連續(xù)照射6分鐘使人體體溫上升0.5攝氏度為限值。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是投票決定的，首先由標(biāo)準(zhǔn)院起草標(biāo)準(zhǔn)，并從各州選派100名各種職業(yè)人士包括工人、農(nóng)民、醫(yī)生、工程師等為代表進(jìn)行投票過(guò)半數(shù)通過(guò)。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)院做過(guò)實(shí)驗(yàn)，挑選200只健康小白鼠分兩籠喂養(yǎng)，對(duì)其中一籠進(jìn)行10倍標(biāo)準(zhǔn)的射頻大功率照射（即10×30W/m2的功率密度），在喂養(yǎng)人員并不知情的情況下，一年后受照射的100只小白鼠健康存活，而另一籠有3只死亡，對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果該如何評(píng)估？美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)院的實(shí)驗(yàn)其功率密度（300W/m2）是相當(dāng)于等效距離1m處用3 700W發(fā)射機(jī)或等效距離3m處用34 000W照射小白鼠。這一結(jié)果只能說(shuō)明美國(guó)制定的功率密度標(biāo)準(zhǔn)要求還是太低，而中國(guó)電磁標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度可以與前蘇聯(lián)相媲美。從表1可以看出，中國(guó)環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)嚴(yán)格的，如從功率密度p的要求來(lái)看，與美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)院相比要高出30W/0.4W=75倍。本文選定的是中國(guó)國(guó)家環(huán)保局制定的標(biāo)準(zhǔn)。

3 Small Cell的發(fā)射功率

各種發(fā)射設(shè)備射頻功率如表2所示：

表2只列舉設(shè)備最大發(fā)射功率，而實(shí)際發(fā)射功率受系統(tǒng)控制。如GSM有30dB控制量，最小發(fā)射功率為0.25mW；CDMA或WCDMA手機(jī)有70dB控制量，最小的發(fā)射功率為0.01μW左右。下面計(jì)算Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)、2G/3G手機(jī)在發(fā)射信號(hào)時(shí)的功率密度。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，電磁輻射的功率密度計(jì)算公式如下：

（1）

其中，SD為功率密度（單位為W/m2）；Pt為發(fā)射功率（單位為W）；R為距發(fā)射機(jī)距離（單位為m）；Gt為該方向上的增益，值為1，對(duì)應(yīng)0dB。

Small Cell的發(fā)射功率Pt=0.02W，則根據(jù)公式（1），Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)作為發(fā)射體，假定距離用戶接收處0.5m、1m進(jìn)行功率密度計(jì)算：

當(dāng)R=0.5m時(shí)，Pt=0.02W，則SD=0.006W/m2，小于輻射指標(biāo)0.4/0.006=66倍。

當(dāng)R=1m時(shí)，Pt=0.02W，則SD=0.002W/m2，小于輻射指標(biāo)0.4/0.002=200倍。

2G（CDMA800）手機(jī)在弱覆蓋區(qū)（場(chǎng)強(qiáng)-88dBm）

打電話時(shí)，依據(jù)文獻(xiàn)[3]開環(huán)功率控制相關(guān)公式：手機(jī)發(fā)射功率=-73dB-（接收到的功率）=-73- （-88）=15dBm=30mW。假定手機(jī)距人耳R=0.01m，則功率密度為SD=24W/m2，大于中國(guó)輻射指標(biāo)24/0.4=60倍，但能滿足美國(guó)國(guó)標(biāo)30W/m2。

當(dāng)室內(nèi)信號(hào)越差時(shí)，由開環(huán)功率控制手機(jī)發(fā)射功率計(jì)算公式可知，手機(jī)發(fā)射功率越大，則手機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射功率密度就越高。

由以上對(duì)比結(jié)果可知，Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)滿足國(guó)標(biāo)規(guī)范，而手機(jī)由于實(shí)際使用很靠近人耳，手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度超國(guó)標(biāo)。關(guān)于手機(jī)是否能用的問(wèn)題，實(shí)際情況很復(fù)雜，用簡(jiǎn)單功率密度計(jì)算可能不準(zhǔn)確。有人建議采用電磁波平均比吸收率SAR來(lái)評(píng)估，但實(shí)際操作非常困難。依據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)于電磁輻射源的管理3.1.1條款規(guī)定“輸出功率等于和小于15W（瓦）的移動(dòng)式無(wú)線電通信設(shè)備，如陸上、海上移動(dòng)通訊設(shè)備及步話機(jī)等，可以免于管理”，從而取得豁免權(quán)。2G/3G手機(jī)終端均在豁免之列。

4 室內(nèi)電磁輻射環(huán)境安全性討論

下面討論安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)前后室內(nèi)電磁輻射水平對(duì)比情況。

安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之前，信號(hào)源來(lái)自室外宏基站，射頻信號(hào)通過(guò)墻體產(chǎn)生較大穿透損耗，室內(nèi)普遍存在信號(hào)弱覆蓋區(qū)。當(dāng)手機(jī)發(fā)起呼叫時(shí)，功率較大且又緊靠人耳，輻射量超國(guó)標(biāo)，如上文計(jì)算超標(biāo)60倍，但滿足美國(guó)國(guó)標(biāo)。

安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之后，信號(hào)源來(lái)自本室內(nèi)的家庭網(wǎng)關(guān)。上文已論證了家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生的輻射劑量比國(guó)標(biāo)低66倍，這時(shí)還是要論證手機(jī)在此電磁環(huán)境下打電話是否滿足國(guó)標(biāo)要求。

假定手機(jī)距離信號(hào)源Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)1m、5m和10m處打電話進(jìn)行安全性分析：

（1）假定手機(jī)在距離家庭網(wǎng)關(guān)（信號(hào)源）1m處信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為-50dBm（實(shí)測(cè)通常為-45～75dBm）打電話，手機(jī)發(fā)射上行功率為-73-（-50）=-23dBm=0.000 005W，SD=0.004W/m2，此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度優(yōu)于國(guó)標(biāo)0.4/0.004=100倍。

（2）當(dāng)手機(jī)距離家庭網(wǎng)關(guān)增至5m時(shí)，路徑損耗增加20lg（5/1）=14dB=25倍，此時(shí)手機(jī)的上行發(fā)射功率從-23dBm增加到-9dBm，同理可計(jì)算得到SD=0.1W/m2，

此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度優(yōu)于國(guó)標(biāo)4倍。

（3）同理，當(dāng)手機(jī)距離家庭網(wǎng)關(guān)從1m擴(kuò)大到10m時(shí)，射頻信號(hào)的路徑損耗增加20lg（10/1）=20dB=100倍，手機(jī)發(fā)射功率從-23dBm增加到-3dBm，可計(jì)算得到SD=0.4W/m2，此處手機(jī)發(fā)射產(chǎn)生功率密度剛好滿足國(guó)標(biāo)。

通過(guò)以上計(jì)算分析可知，室內(nèi)增加家庭網(wǎng)關(guān)Small Cell覆蓋之后，所有射頻輻射設(shè)備在通話時(shí)都能滿足國(guó)標(biāo)，且距離家庭網(wǎng)關(guān)越近，電磁輻射水平越低。室內(nèi)安裝了家庭網(wǎng)關(guān)后，手機(jī)通話時(shí)發(fā)射功率普遍可以下降100倍（20dB）。同時(shí)還能提升通話質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率，并延長(zhǎng)手機(jī)電池待機(jī)時(shí)間和使用壽命。

此外，隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高。有越來(lái)越多的高端用戶投訴室內(nèi)弱覆蓋引起的通話質(zhì)量或速率不暢等問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)難以得到解決。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，Small Cell通過(guò)接入用戶家庭寬帶提供服務(wù)，施工無(wú)破壞無(wú)噪音、難度低、建設(shè)周期短，并且用戶不用擔(dān)心輻射問(wèn)題，可以快速解決高端用戶投訴問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商都在積極試用和推廣Small Cell的使用，而且京信Nanocell產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了Small Cell與Wi-Fi的融合組網(wǎng)，對(duì)于3G/LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以與WLAN網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)同步進(jìn)行或者利用已有WLAN的網(wǎng)絡(luò)端口建設(shè)，完成熱點(diǎn)覆蓋和盲點(diǎn)覆蓋，具有良好的市場(chǎng)前景。

綜上所述，室內(nèi)安裝Small Cell家庭網(wǎng)關(guān)之后，不僅電磁防護(hù)安全性較好，而且通信質(zhì)量也得到大大提高，是解決用戶投訴便捷有效的手段。

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