移動通信基站電磁輻射評估與測試

馮　巖，王　坦，楊文翰

(國家無線電監(jiān)測中心/國家無線電頻譜管理中心，北京 100037)

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移動通信基站電磁輻射評估與測試

馮巖，王坦，楊文翰

(國家無線電監(jiān)測中心/國家無線電頻譜管理中心，北京 100037)

對移動通信基站產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行了科學(xué)客觀的解釋與評估。在研究和總結(jié)國內(nèi)外研究進(jìn)展及標(biāo)準(zhǔn)制定情況的基礎(chǔ)上，通過理論分析、仿真計算和實地測試等手段，對不同場景下的移動通信宏基站和終端的電磁輻射水平進(jìn)行了評估和測試。研究結(jié)果表明，目前移動通信基站的電磁輻射水平在國家規(guī)定的防護(hù)限值以內(nèi)。

電磁輻射；移動通信；宏基站；防護(hù)限值

隨著移動通信的快速發(fā)展，通信基站的部署越來越密集，手機(jī)也成為了人們生活中不可或缺的一部分。近期4G牌照的發(fā)放，再度引發(fā)了移動通信的發(fā)展熱潮，新一輪基站建設(shè)即將拉開序幕。然而，在為生活帶來便利的同時，移動通信電磁輻射對人體健康的影響，也逐漸引起了公眾的關(guān)注。普通百姓面對生活中隨處可見的通信基站，普遍存在著較強(qiáng)的畏懼心理和抵觸心理。為了合理控制電磁輻射的影響，我國早在20世紀(jì)80年代就制定了關(guān)于電磁輻射防護(hù)的國家標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)限值相比國際上的限值標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。此外，國際上也早已開展了關(guān)于電磁輻射影響的研究工作。

實際上，電磁輻射分為非電離輻射和電離輻射兩種，移動通信使用的無線電波產(chǎn)生的電磁輻射屬于非電離輻射，能量很低，不會對人體造成影響。為了科學(xué)客觀地解釋和評估移動通信基站電磁輻射的水平，本文首先介紹了國內(nèi)外關(guān)于移動通信電磁輻射的研究進(jìn)展及標(biāo)準(zhǔn)制定情況，以及電磁輻射的評價指標(biāo)和防護(hù)限值，作為移動通信電磁輻射的衡量依據(jù)。之后，對不同場景下的宏基站和終端產(chǎn)生的電磁輻射水平進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了仿真計算及實地測試驗證。

1　國內(nèi)外研究進(jìn)展及標(biāo)準(zhǔn)制定情況

1.1國際研究項目介紹

世界衛(wèi)生組織(WHO)從1996年開始，組織開展了全球性的“國際電磁場計劃”，對曝露在電磁環(huán)境中對人體健康和環(huán)境的影響進(jìn)行研究和評估。2006年WHO發(fā)布的第304號實況報道《電磁場與公共衛(wèi)生：基站和無線技術(shù)》結(jié)論認(rèn)為，在比較低的接觸水平下，還沒有足夠的證據(jù)證明移動通信基站和網(wǎng)絡(luò)會對健康造成有害影響。之后，WHO在2011年又發(fā)布了第193號實況報道《電磁場與公共衛(wèi)生：移動電話》，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)將手機(jī)輻射的電磁場列為可能導(dǎo)致人類癌癥的物質(zhì)(Group 2B)。但同時也指出，“迄今為止，尚未證實手機(jī)的使用對健康造成任何不良后果”。WHO建議手機(jī)用戶限制通話次數(shù)和使用時間，或者使用耳機(jī)以及用發(fā)短信、上網(wǎng)等方式替代打手機(jī)，以減少身體與手機(jī)輻射的接觸量。同時，在接收信號好的地點使用手機(jī)，手機(jī)的傳輸功率會相應(yīng)降低，也能夠減少接觸量。2013年WHO指出[1]，“手機(jī)的射頻電磁場曝露一般是基站的1 000倍以上，因此，手機(jī)產(chǎn)生的影響可能更大”。雖然缺乏移動電話使用的長期數(shù)據(jù)，目前無法對移動電話使用的長期效應(yīng)進(jìn)行評估。但是由于移動電話的使用日趨普遍，世界衛(wèi)生組織正在評估射頻場對健康的影響，并鼓勵進(jìn)一步對青少年等長期使用移動電話的人群開展研究。

英國移動通信和健康研究項目(Mobile Telecommunications and Health Research Programme，MTHR)[2]于2001年啟動，在英國政府和電信行業(yè)的資助下完成，總投入達(dá)1 360萬英鎊。該項目研究人員發(fā)表了60篇讓同行評估的研究論文，包括了兒童癌癥病例、白血病病例等與手機(jī)使用關(guān)聯(lián)以及信號對人體健康的影響等方面的研究內(nèi)容。2012年，該項目發(fā)布研究報告，指出根據(jù)11年的研究成果，并沒有發(fā)現(xiàn)手機(jī)或基站輻射的電磁波與導(dǎo)致癌癥或影響人體健康之間的聯(lián)系。通過實驗測試使用有線免提設(shè)備的電磁曝露效果，同時對手機(jī)電池、芯片等可能產(chǎn)生的低頻電磁場進(jìn)行了測量，研究證實使用有線免提設(shè)備能夠降低移動電話曝露，手機(jī)電池、芯片等可能產(chǎn)生的低頻電磁場場強(qiáng)遠(yuǎn)低于對人體組織產(chǎn)生影響的限值，尤其是與電動剃須刀、電吹風(fēng)等同樣會在頭部附近產(chǎn)生低頻電磁場的設(shè)備相比。

為了進(jìn)一步研究使用手機(jī)對健康的長期影響，2008年MTHR宣布啟動了手機(jī)使用和健康群組研究項目(Cohort Study of Mobile Phone Use and Health，COSMOS)，對用戶行為進(jìn)行長期實時跟蹤調(diào)查。研究將關(guān)注各種健康問題與使用手機(jī)是否存在聯(lián)系，例如腦癌和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。

1.2國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)制定情況

為了防止電磁輻射對公眾健康的影響，各國都紛紛制定了電磁曝露防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。我國環(huán)保部、衛(wèi)生部早在1988年就先后制定頒布了《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》(GB8702—1988)和《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB9175—1988)等國家標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對電磁輻射限值進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。2014年9月國家環(huán)保部發(fā)布了《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》的最新修訂稿《電磁環(huán)境控制限值》，對0.1 MHz以下頻段(包括50 Hz工頻電磁場)的公眾曝露控制限值進(jìn)行了規(guī)定，與國際指標(biāo)接軌。而對于0.1 MHz～300 GHz頻段，與1988年《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中規(guī)定的限值完全一致。此外，針對移動電話使用時電磁輻射曝露可能對健康造成的影響，我國在2007年還出臺了《移動電話電磁輻射局部曝露限值》(GB21288—2007)國家標(biāo)準(zhǔn)，對手機(jī)靠近人體頭部使用時，手機(jī)電磁輻射公眾頭部曝露限值進(jìn)行了規(guī)定。

目前，國際上還沒有規(guī)定統(tǒng)一的電磁場曝露限值，不同國家和組織分別制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，世界衛(wèi)生組織推薦的國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)1998年制定的導(dǎo)則《Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz)》[3]和美國電氣與電子工程師學(xué)會(IEEE)制定的C95系列標(biāo)準(zhǔn)《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz》(最新版為IEEE C95.1—2005)[4]是目前各國參考采用的電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE C95.1標(biāo)準(zhǔn)包括1992版、1999版和最新制定的2005版，其中最新版中的曝露限值已與ICNIRP導(dǎo)則統(tǒng)一。IEEE C95.1標(biāo)準(zhǔn)和ICNIRP導(dǎo)則是基于短期曝露產(chǎn)生的電磁場熱效應(yīng)和電刺激效應(yīng)的基礎(chǔ)上制定出基本限值水平。而長期曝露在電磁場中可能產(chǎn)生的健康影響有關(guān)的科學(xué)證據(jù)，仍不足以證明應(yīng)當(dāng)降低這些限值[5]。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)1997年公布的導(dǎo)則《Evaluating Compliance With FCC Guidelines for Human Exposure to Radio frequency Electromagnetic Fields》(FCC OET Bulletin 65—1997)[6]也對電磁曝露限值做出了規(guī)定[7]，其中，300 kHz～100 GHz頻段的發(fā)射場強(qiáng)和功率密度的最大允許曝露采用了美國國家輻射防護(hù)委員會(NCRP)推薦的限值，而設(shè)備的比吸收率(SAR)值采用了ANSI/IEEE C95.1—1992中制定的限值。

國際上主要采用以下兩種通用判定方法，評估人體在受電磁輻射的影響：

1)基本限值：比吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)。對于正常使用時距離人體20 cm以內(nèi)的便攜式發(fā)射機(jī)產(chǎn)品(如手機(jī)、Pad)，通過SAR值來判定電磁場強(qiáng)度，單位通常是W/kg；

2)導(dǎo)出限值：與基本限值相應(yīng)的電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和功率通量密度值。對于正常使用時距離在人體 20 cm以外的固定臺式發(fā)射機(jī)產(chǎn)品(如通信基站)，則通過電磁場對人體照射的功率通量密度計算來判定電磁場強(qiáng)度，單位通常是W/m2，或使用電場強(qiáng)度，單位是V/m。

當(dāng)曝露在多個發(fā)射源的多個頻段的電磁場中時，應(yīng)綜合考慮電場、磁場、電磁場所致曝露。

根據(jù)曝露在電磁環(huán)境中的時間的不同，各國針對電磁輻射的公眾曝露和職業(yè)曝露分別制定了防護(hù)限值。職業(yè)曝露是指在每天8小時工作期間內(nèi)，在任意連續(xù)6分鐘內(nèi)的平均值。公眾照射是指在一天24小時內(nèi)，任意連續(xù)6分鐘內(nèi)的平均值。

由于公眾移動通信主要考慮24小時長期曝露的電磁環(huán)境，應(yīng)采用公眾曝露限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。圖1中對各國一些標(biāo)準(zhǔn)中的電磁公眾曝露限值進(jìn)行了比較。從圖中可以明顯的看出，在100～3 000 MHz頻段內(nèi)我國環(huán)保部制定的公眾曝露電場強(qiáng)度限值要比其他國家標(biāo)準(zhǔn)中限值的嚴(yán)格大約2～5倍，我國衛(wèi)生部制定的標(biāo)準(zhǔn)比環(huán)保部更加嚴(yán)格。另外，在手機(jī)電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)方面，歐美國家的SAR限值也有很大差異，美國采用的頭部標(biāo)準(zhǔn)限值為任意1克組織，任意連續(xù)6分鐘不得超過1.6 W/kg[6]；而歐洲大部分國家采用的SAR限值為任意10克組織，任意連續(xù)6分鐘不得超過2.0 W/kg[3]，與1998年ICNIRP導(dǎo)則中推薦的值一致；我國《移動電話電磁輻射局部曝露限值》標(biāo)準(zhǔn)中也采用了ICNIRP給出的曝露限值。

圖1　100～3 000 MHz頻段電磁公眾曝露限值比較

2　宏基站電磁輻射評估

2.1多場景基站發(fā)射場強(qiáng)評估

該部分首先通過對比終端接收周圍基站集總信號功率與最近基站接收信號功率，論證得到，基站集總信號功率最大的情況是發(fā)生在終端距離基站最近的場景。之后，將該情況細(xì)分為兩種場景，分別給出了基站在各運營商、各制式、各頻段均發(fā)射的情況下，終端處集總接收信號功率值。

2.1.1傳輸距離與基站集總接收功率分析

多小區(qū)仿真場景如圖2所示。在中心小區(qū)中，用戶從小區(qū)中心位置(基站近端)向小區(qū)邊緣移動(基站遠(yuǎn)端)，收到的同頻信號強(qiáng)度可能不同。為分析其規(guī)律，進(jìn)行了相關(guān)仿真，仿真參數(shù)如表1所示。

圖2　多小區(qū)仿真場景示意圖

參數(shù)類型內(nèi)容基站發(fā)射功率/dBm43小區(qū)形狀規(guī)則六邊形工作頻率/MHz900,1800,2600對應(yīng)小區(qū)半徑/m700,400,300基站天線高度/m30基站天線主瓣增益/dB17終端天線高度/m1.5終端天線增益/dB0信道模型ITU-RP.1546

首先論證集總接收功率的情況。3GPP在分析同頻干擾時，一般只計算中心小區(qū)外相鄰兩周的基站，再遠(yuǎn)的可忽略不計，本文采用類似的場景。圖3給出了900 MHz GSM網(wǎng)絡(luò)(小區(qū)半徑700 m)的基站集總功率與主基站功率占比分析的仿真結(jié)果。可以看出用戶處于非小區(qū)邊緣時，接收到的同頻信號功率大都來自本小區(qū)基站，且距基站越近功率越大；用戶處于小區(qū)邊緣時，接收到的同頻信號功率可能多半來自其他小區(qū)。但此時集總信號功率遠(yuǎn)低于在用戶在接近本小區(qū)中心時的集總信號功率。1.8 GHz，2.6 GHz的其他2G/3G/4G系統(tǒng)具有類似的趨勢。

圖3　GSM網(wǎng)絡(luò)基站集總功率與主基站功率占比分析

2.1.2典型最惡劣場景評估

考慮到居民最關(guān)心的幾種情況，確定以下兩個場景：樓頂上有基站，居住在頂層的用戶與基站垂直距離約10 m；對面樓頂上有基站，與頂樓上用戶存在直射，樓間距約70 m，如圖4所示。

a　場景一

b　場景二圖4　基站發(fā)射場強(qiáng)評估場景示意圖

圖5給出了兩種場景下的仿真結(jié)果。假設(shè)所有運營商在所有移動通信頻段均滿功率發(fā)送，具體仿真參數(shù)見表1?？梢钥闯觯簣鼍岸杏脩羰艿降幕据椛鋱鰪?qiáng)略高于場景一，但兩個場景下用戶處受到的輻射場強(qiáng)均遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的電磁輻射公眾曝露限值。值得注意的是，現(xiàn)實中最惡劣場景出現(xiàn)可能性非常小，一方面，基站難以達(dá)到峰值發(fā)送功率；另一方面，各制式、運營商間對共站址有嚴(yán)格的隔離要求。

圖5　基站發(fā)射場強(qiáng)評估仿真結(jié)果

2.2典型城區(qū)各制式基站、終端功率分布對比評估

本節(jié)分別對城區(qū)典型場景GSM、WCDMA和TD-LTE的基站和終端在距基站不同距離處的功率分布進(jìn)行了仿真評估。路徑損耗模型調(diào)整為P.1546模型 ，基站天線按照最大增益17 dB計算。仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，環(huán)境中的電磁輻射水平是基站與手機(jī)共同作用的結(jié)果，即使在最惡劣的場景下，基站的輻射水平也低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值；一般來說，手機(jī)離基站越遠(yuǎn)，接收到基站的有用信號功率越小，所需的發(fā)射功率越大；反之，手機(jī)離基站越近，接收到基站的有用信號功率越大，所需發(fā)射功率越小。

圖6　城區(qū)典型場景基站場強(qiáng)與終端功率分布圖

事實上，基站的輻射覆蓋是比較穩(wěn)定的，而手機(jī)則根據(jù)通信條件采用了功率控制，從而確?；灸苷_接收其發(fā)射信號，并達(dá)到提高續(xù)航能力的目的。另外，一般信號傳播損耗與距離的平方成反比，信號隨距離的增加而快速衰減，通常情況下，手機(jī)離基站越近，信道傳播條件越好，手機(jī)需要發(fā)射的信號功率越??；手機(jī)離基站越遠(yuǎn)，信道傳播條件越差，手機(jī)需要發(fā)射的信號功率越大才能保證與基站正常連通。目前，由于數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)相比話務(wù)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)量大幅增長，并且4G基站使用的頻段更高，其信號傳播距離更短。為滿足數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)需求，需要增加4G的基站建設(shè)密度，甚至還需補(bǔ)充建設(shè)熱點基站。因此，一定程度上來講，4G使用更高的頻段，基站密度增加，有助于降低手機(jī)發(fā)射功率。

3　基站輻射場強(qiáng)測試

為了進(jìn)一步驗證評估分析結(jié)果，對2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)的基站輻射場強(qiáng)進(jìn)行了實地測試。測試區(qū)域位于北京市西城區(qū)北禮士路，選取2個測試點，并標(biāo)記了最靠近測試點的基站位置，如圖7所示。

圖7　基站與測試點分布圖

使用PMM 8053A電磁輻射分析儀與EP-300探頭，對100 kHz～3 GHz頻段范圍內(nèi)的環(huán)境場強(qiáng)進(jìn)行測試，包含了所有2G，3G，4G頻段。每個地點測試6 min，記錄平均值。在A-B測試地點測得的場強(qiáng)值如圖8所示。從測試結(jié)果來看，在測試地點附近的電磁輻射場強(qiáng)值遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限值(12 V/m)。

圖8　100 kHz～3 GHz頻段場強(qiáng)測試結(jié)果

4　小結(jié)

本文對公眾移動通信宏基站的電磁輻射進(jìn)行了評估與測試研究。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)方面，我國目前制定的輻射限值較國外現(xiàn)行的主要標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。從理論仿真與測試工作的結(jié)果來看，我國運營商現(xiàn)有移動通信基站的電磁輻射水平低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁輻射限值，同時，保證基站有良好的覆蓋，能有效降低手機(jī)的發(fā)射功率，反而能更有效地降低移動通信電磁輻射對人體的影響。

[1]World Health Organization. What are the health risks associated with mobile phones and their base stations?[EB/OL]. [2015-12-10]. http://www.who.int/features/qa/30/en/ .

[2]Mobile telecommunications and health research programme MTHR Report 2012. [EB/OL]. [2015-12-10].http://www.mthr.org.uk/documents/MTHRreport2012.pdf.

[3]IEEE C95.1?-2005-Safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz[EB/OL]. [2015-12-10]. http://emfguide.itu.int/pdfs/C95.1-2005.pdf. 2005.

[4]World Health Organization. Handbook on Establishing a Dialogue on Risks from Electromagnetic Fields. [EB/OL]. [2015-12-10]. http://www.who.int/peh-emf/publications/risk_hand/en/. 2002.

[5]International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP). Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz). [EB/OL]. [2015-12-10]. http://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf. 1998.

[6]Federal Communications Commission (FCC). OET Bulletin 65-Evaluating Compliance With FCC Guidelines for Human Exposure to Radio frequency Electromagnetic Fields. [EB/OL]. [2015-12-10].http://transition.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Documents/bulletins/oet65/oet65c.pdf. 1997.

[7]Office of Engineering and Technology (OET), Federal Communications Commission (FCC). FCC Policy on Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields. [EB/OL]. [2015-12-10]. http://transition.fcc.gov/oet/rfsafety.

馮巖(1984— )，女，博士，工程師，主要從事無線電新技術(shù)研究、頻譜管理研究等工作；

王坦(1985— )，博士，高級工程師，主要從事移動通信頻率需求論證、規(guī)劃、兼容分析的研究與評估工作；

楊文翰(1983— )，博士，高級工程師，主要從事頻譜工程相關(guān)的電磁兼容分析、電磁環(huán)境測試等工作。

責(zé)任編輯：薛京

Evaluation and measurement on electromagnetic radiation of base stations

FENG Yan, WANG Tan, YANG Wenhan

(TheStateRadioMonitoringCenter,Beijing100037,China)

In this paper, electromagnetic radiation produced by base stations of mobile communications is scientifically evaluated. On the basis of summarizing the related progress of global researches and standards, this paper evaluates and tests the electromagnetic radiation level of macro base stations and mobile terminals in different scenarios by theoretical analysis, simulation and field test. The results show that, at present, the radiation level of base stations is still under the limits of radiation protection demanded by national regulations.

electromagnetic radiation; mobile communication; macro base station; radiation protection limits

TN929.5

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.10.029

國家科技重大專項(2014ZX03002027)

2016-01-08

文獻(xiàn)引用格式：馮巖，王坦，楊文翰.移動通信基站電磁輻射評估與測試[J].電視技術(shù)，2016，40(10)：147-152.

FENG Y, WANG T, YANG W H.Evaluation and measurement on electromagnetic radiation of base stations[J].Video engineering，2016,40(10)：147-152.