TD-LTE移動通信基站電磁輻射環(huán)境影響調(diào)查與分析

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 黃 清

近年來，移動通信技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)從2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)過渡。截止到2015年2月，我國移動電話用戶總數(shù)達到12.9億戶，其中4G用戶總數(shù)達到1.38億戶，在移動電話用戶占比達到10.7%[1]。隨著4G混合組網(wǎng)時代的全面到來，我國將掀起新一輪 4G建網(wǎng)高潮。其中，中國移動主導(dǎo)的TD-LTE制式4G基站在2014年底已經(jīng)達到65萬個，預(yù)計2015年其4G基站總數(shù)將達到100萬個。

移動通信行業(yè)的迅速發(fā)展，也讓人們對移動通信基站的電磁輻射問題愈加關(guān)注。因此，有必要對目前正在快速建設(shè)的TD-LTE基站電磁輻射環(huán)境影響進行分析，提高人們對基站電磁輻射問題的正確認識，促進通信運營商和相關(guān)管理部門更合理地建設(shè)、管理基站。

1 TD-LTE技術(shù)特點

LTE（Long Term Evolution，長期演進）是由3GPP 組織制定的UMTS 技術(shù)標準的長期演進，它改進并增強了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM 和MIMO 作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進的唯一標準。LTE 按照雙工方式可分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種，分別稱為LTE-FDD 和TD-LTE。

TD-LTE系統(tǒng)為滿足LTE對系統(tǒng)容量、性能指標、傳輸時延、部署方式、業(yè)務(wù)質(zhì)量、復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及成本等方面的需求，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空口高層協(xié)議以及物理層關(guān)鍵技術(shù)方面作出了重要革新，體現(xiàn)在：

（1）接入網(wǎng)架構(gòu)方面，采用扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡化網(wǎng)絡(luò)接口，優(yōu)化網(wǎng)元間功能劃分。

（2）空口高層協(xié)議棧方面，通過簡化信道映射方式和RRC協(xié)議狀態(tài)，優(yōu)化RRC的信令流程，降低了控制平面和用戶平面的時延；并針對分組數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奶攸c，通過對資源分配和調(diào)度機制進行優(yōu)化，進一步提升了傳輸效率。

（3）空口物理層方面，支持可變傳輸帶寬，實現(xiàn)各種場景下對帶寬的靈活配置；應(yīng)用基于OFDM的多址接入技術(shù)及其傳輸方式；引入先進的多天線技術(shù)來提升系統(tǒng)容量；優(yōu)化和提升基于分組域數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸特點的物理層過程。

2 TD-LTE移動通信基站電磁輻射執(zhí)行標準

TD-LTE基站移動通信網(wǎng)所用頻段為 2300MHz、2600MHz，根據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》[2](GB8702-2014)，在30～3000MHz的頻率范圍內(nèi)，公眾暴露控制限值為等效平面波功率密度0.4 W/m2。

根據(jù)《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準》[3]（HJ/T10.3-1996），公眾總的受照射劑量包括各種電磁輻射對其影響的總和，即包括擬建設(shè)施可能或已經(jīng)造成的影響，還要包括已有背景電磁輻射的影響。為使公眾受到總照射劑量小于GB8702-2014的規(guī)定值，該導(dǎo)則對單個項目的電磁輻射影響設(shè)置了管理限值。對于移動基站，通常取GB8702-2014規(guī)定的等效平面波功率密度限值的1/5作為環(huán)境管理目標值，即0.08W/m2。

3 電磁輻射理論計算

3.1 計算模式及參數(shù)

根據(jù)《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》[4](HJ/T10.2-1996)，微波天線遠場主瓣軸向功率密度計算式即該導(dǎo)則之(4.8)式，結(jié)合天線工程學中天線方向性函數(shù)，基站天線輻射功率密度S的計算公式為：

式中，P為天線的發(fā)射功率(W)；G為天線增益（倍數(shù)）；F(θ,φ)為預(yù)測點方向的天線歸一化方向性函數(shù)值，θ為垂直面上與天線軸向的夾角，φ為水平面上與天線軸向的夾角；r為預(yù)測點至發(fā)射天線中心點的距離(m)。

天線正前方（即φ=0°）的方位輻射強度最大，因此僅對φ=0°的方位進行預(yù)測計算。

基站設(shè)備通道數(shù)為8通道，單通道的標稱功率為5W/通道；天線設(shè)備長度為1.2m，天線增益15dBi。

TD-LTE系統(tǒng)上下行時隙配比采用上下行轉(zhuǎn)換周期為5ms的“1上 3下”的配置方案，特殊子幀的 3個特殊時隙DwPTS、GP、UpPTS采用10、2、2的長度配置方案，其中只有下行子幀和特殊時隙中的 DwPTS產(chǎn)生電磁輻射。因此實際產(chǎn)生電磁輻射的時間占比為：3/5+1/5×10/14=0.743=74.3%。

鑒于基站發(fā)射機工作時的實際發(fā)射功率是根據(jù)通信狀況自動調(diào)節(jié)的，同時為保證基站設(shè)備長時間正常運行，實際環(huán)境中重疊覆蓋避免同頻干擾，基站發(fā)射機的總發(fā)射功率一般設(shè)定為不超過標稱功率的40%。

基站設(shè)備天線與射頻模塊之間直徑1/2英寸的連接跳線(饋線)，跳線損耗及插入損耗至少為1dB。

綜上所述，天線發(fā)射功率為：

P=5W/通道×8通道×40%×74.3%×10-1dB/10=9.5W

TD-LTE基站天線計算參數(shù)見表1。

表1 TD-LTE基站天線計算參數(shù)

3.2 理論計算結(jié)果分析

根據(jù)公式(1)和表1，計算天線正前方垂直面功率密度空間分布可知，遠場區(qū)移動通信基站對環(huán)境的電磁輻射貢獻隨距離的增大而減小。對于單網(wǎng)架設(shè)的TD-LTE通信基站，在距離天線主瓣軸向17.2m 處或低于天線底部2.1 m處，電磁輻射功率密度值已衰減到單個移動通信基站產(chǎn)生對環(huán)境電磁輻射場的貢獻 0.08 W/m2，不會對更遠處的環(huán)境保護目標造成影響。

4 TD-LTE基站電磁輻射監(jiān)測

4.1 監(jiān)測對象

本研究選取福州、泉州和寧德三市共 68個單網(wǎng)建設(shè)的TD-LTE基站。

4.2 監(jiān)測儀器

德國Narda公司生產(chǎn)的NBM-550型綜合場強儀，配備EF0391型探頭，響應(yīng)頻率為 100kHz~3GHz，量程為 0.2～320V/m(0.0001～270W/m2)，最低檢測限為0.2 V/m（0.0001 W/m2）。

4.3 監(jiān)測點位的選取方法

根據(jù)《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》[5]的規(guī)定，基站電磁輻射水平現(xiàn)狀監(jiān)測點位優(yōu)先布設(shè)在公眾可以到達距離天線的最近處，原則上設(shè)在天線主瓣方向內(nèi)，針對基站的每個扇區(qū)。重點監(jiān)測發(fā)射天線主瓣方向上不同距離、不同高度的室內(nèi)外及地面人群活動場所（即敏感目標），如居住、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研、行政辦公等為主要功能的區(qū)域。防護區(qū)內(nèi)如有敏感目標，通過巡測找出輻射水平較高的測點，如無敏感目標，在天線前方50 m內(nèi)選取代表性監(jiān)測點。點位選擇應(yīng)設(shè)法避免或盡量減少周圍偶發(fā)的其他輻射源的干擾。

4.4 監(jiān)測時間、頻次及環(huán)境條件

監(jiān)測時間選擇1天內(nèi)的8:00~18:00。天氣條件為無雪、無雨、無霧、無冰雹。每個監(jiān)測點位進行連續(xù)5次電場強度的測定，每次測定時間不少于 15s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)下的最大值。

4.5 典型基站電磁輻射監(jiān)測結(jié)果

選取2個不同架設(shè)類型的基站作為典型基站，對其監(jiān)測結(jié)果進行具體分析。其中，1號基站以美化天線形式架設(shè)在某居民樓五樓樓上，天線掛高17米，在其天線主瓣方向21m處是一棟8層居民樓A號樓。2號基站以地面塔形式架設(shè)路邊，天線高28米，周邊100米范圍內(nèi)無敏感目標。2個典型基站的監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 典型TD-LTE基站現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

續(xù)表2

由表2可知，隨著監(jiān)測點與天線垂直距離或水平的增加，等效平面波功率密度減小，其測值范圍為 0.0001～0.0069 W/m2，2個典型基站的電磁輻射測值均低于單個項目環(huán)境管理限值。

4.6 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總分析

按照上文所述方法，對68個基站共380個監(jiān)測點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總，形成功率密度測量值頻數(shù)分布統(tǒng)計，見表3。由表3可知，80.89%的站點等效平面波功率密度小于0.0100 W/m2，97.06%的監(jiān)測點等效平面波功率密度小于0.0400 W/m2，所有監(jiān)測點測值均低于單個項目環(huán)境管理限值（0.08 W/m2）。

表3 TD-LTE基站功率密度測量值分布統(tǒng)計

5 實測結(jié)果與理論計算結(jié)果對比分析

實際監(jiān)測的380個監(jiān)測點中，與天線水平距離小于17.2m且垂直距離小于2.1m的測點共13個，這13個監(jiān)測點的等效平面波功率密度范圍為 0.0011~0.0614W/m2，均低于單個項目環(huán)境管理限值（0.08 W/m2）。理論計算結(jié)果較實測結(jié)果偏保守，主要原因在于實測基站電磁輻射受天線架設(shè)方式、地形地物、話務(wù)量、溫度、濕度及大氣環(huán)境等多種因素影響[6]。

6 結(jié)論

上述模擬計算和對已運行基站的實測結(jié)果表明，在選址合理的前提下，TD-LTE基站對周圍環(huán)境敏感目標的電磁輻射環(huán)境影響較小，基站產(chǎn)生的電磁輻射能滿足單個項目貢獻管理限值（0.08 W/m2）的要求。

盡管本次調(diào)查的TD-LTE基站環(huán)境電磁輻射水平均符合要求，但從盡可能消除電磁輻射影響，讓更多公眾支持基站建設(shè)的角度，提出以下建議：

一方面，建設(shè)單位在新建基站規(guī)劃與選址中充分考慮環(huán)保要求，針對不同區(qū)域和保護目標的分布特點，合理選擇基站位置及發(fā)射功率、載頻數(shù)、發(fā)射天線下傾角、架設(shè)高度、朝向等。

另一方面，建設(shè)單位應(yīng)及時向公眾公布環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)，加大基站電磁輻射影響科普知識宣傳，消除公眾的不必要誤解和恐慌。

[1]工業(yè)和信息化部運行監(jiān)測協(xié)調(diào)局.2015年2月份通信業(yè)經(jīng)濟運行情況[EB/OL].工信部網(wǎng)站

[2]電磁環(huán)境控制限值(GB 8702-2014) [S].北京：中國標準出版社，2014.

[3]國家環(huán)境保護局.輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準(HJ/T 10.3-1996) [S].北京：中國環(huán)境科學出版社，1996.

[4]國家環(huán)境保護局.輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境監(jiān)測儀器和方法(HJ/T 10.2-1996) [S].北京：中國環(huán)境科學出版社，1996.

[5]國家環(huán)境保護總局.移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法(試行)[Z]，環(huán)發(fā)[2007]114號.

[6]張海鷗，潘超，夏遠芬，等 移動通信基站電磁輻射時空分布及衰減特征[J].電力環(huán)境保護，2009，25(4)：57.