南平、泉州地區(qū)移動(dòng)通信基站的電磁輻射環(huán)境影響分析

左振中

南平、泉州地區(qū)移動(dòng)通信基站的電磁輻射環(huán)境影響分析

左振中

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站

選取泉州、南平移動(dòng)第二批通信網(wǎng)總計(jì)1948個(gè)移動(dòng)通信物理基站，其中泉州地區(qū)801個(gè)，南平地區(qū)1147個(gè)。對(duì)其地區(qū)分布情況，單、共網(wǎng)情況，單、共址情況，架設(shè)方式（塔型），周圍電磁輻射環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)基站電磁輻射安全防護(hù)距離理論模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

移動(dòng)通信基站 電磁輻射 理論模型計(jì)算

隨著科技的迅速發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)日新月異[1]。新波段不斷應(yīng)用，必須新建大批新基站以適應(yīng)2G、3G、4G混合網(wǎng)絡(luò)的需求。通信腳步加快也使電磁輻射暴露水平顯著增加，公眾對(duì)電磁輻射的問(wèn)題愈加關(guān)注?；炯茉O(shè)地址周圍居民擔(dān)憂電磁輻射對(duì)身體造成影響，投訴的事件也在增加。本文通過(guò)對(duì)南平、泉州兩地1948個(gè)基站的電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，有利于運(yùn)營(yíng)商日常基站運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，也有助于讓公眾正確認(rèn)識(shí)所處環(huán)境的電磁輻射水平。

1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)組成

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，目前我國(guó)有三個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：GSM 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（2G）、TD-SCDMA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（3G）及TD-LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（4G）。GSM（Global System for Mobile Communications）系統(tǒng)采用時(shí)分多址與頻分多址技術(shù)，每載波帶寬200kHz，每個(gè)載頻上含8個(gè)時(shí)隙，即每個(gè)載頻有8個(gè)物理信道[2]。TD-SCDMA[3]（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）是指時(shí)分同步碼分多址技術(shù)，簡(jiǎn)稱TD。LTE( Long Term Evolution) 已成為國(guó)際上主流的新一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，TD-LTE 是時(shí)分雙工模式的LTE系統(tǒng)，是TD-SCDMA的長(zhǎng)期演進(jìn)。LTE系統(tǒng)以正交頻分復(fù)用( OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 和多輸入多輸出( MIMO，Multiple Input Multiple Output) 技術(shù)為基礎(chǔ)，并在移動(dòng)通信系統(tǒng)中全面采用和優(yōu)化分組數(shù)據(jù)傳輸。

2 電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

人體對(duì)電磁能量有吸收作用，產(chǎn)生制熱效應(yīng)和非制熱效應(yīng)。電磁輻射超過(guò)一定限值可能會(huì)對(duì)人們身體健康產(chǎn)生威脅?！峨姶怒h(huán)境控制限值》（GB8702—2014）規(guī)定了公眾受照射的功率密度導(dǎo)出限值[4]，如表1所示。

表1 公眾照射導(dǎo)出限值

移動(dòng)通信基站的頻率范圍為890~2600MHz，其對(duì)應(yīng)的公眾照射導(dǎo)出限值為0.4W/m2。根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T10.3—1996）[5]，為使公眾受到總照射劑量小于GB8702—2014中的規(guī)定值，對(duì)于單個(gè)項(xiàng)目的影響，必須限制在表1限值額的若干分之一；對(duì)于由國(guó)家環(huán)保局負(fù)責(zé)審批的大型項(xiàng)目，可取表1場(chǎng)強(qiáng)限值的或功率密度限值的1/2；其他項(xiàng)目，取場(chǎng)強(qiáng)限值的或功率密度限值的1/5作為單個(gè)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文取功率密度限值1/5 作為環(huán)境管理目標(biāo)值，即0.08W/m2。

3 電磁輻射理論模型計(jì)算

電磁輻射場(chǎng)源一般分為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

近場(chǎng)區(qū)：/4≤≤2D2/(1)

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：≥2D2/(2)

式中，表示電波波長(zhǎng)，表示天線的口徑大小。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)DB11 /T 784—2011《移動(dòng)通信基站建設(shè)項(xiàng)目電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》，基站天線功率密度的計(jì)算公式為：

式中，為天線的發(fā)射功率(W)，為天線增益（倍數(shù)），(, φ)為預(yù)測(cè)點(diǎn)方向的天線歸一化方向性函數(shù)值，為垂直面上與天線軸向的夾角，為水平面上與天線軸向的夾角，為預(yù)測(cè)點(diǎn)至發(fā)射天線中心點(diǎn)的距離(m)。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，只考慮天線主瓣軸向的電磁輻射功率密度，方向函數(shù)(,) =1。(3)式可簡(jiǎn)化為：

(4)

由式（4）可得基站的水平防護(hù)距離：

垂直防護(hù)距離如式（6）所示：

(6)

將表2中的參數(shù)代入公式（3）、（4），可計(jì)算出不同共網(wǎng)類型的基站在水平以及垂直方向上功率密度小于0.8W/m2的防護(hù)距離，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 GSM、TD、LTE基站相關(guān)參數(shù)（增加發(fā)射波長(zhǎng)以及近場(chǎng)范圍數(shù)據(jù)用于定義輻射近遠(yuǎn)場(chǎng)）

表3 不同類型基站的水平、垂直方向防護(hù)距離理論計(jì)算結(jié)果

4 儀器參數(shù)

德國(guó)Narda公司生產(chǎn)的NBM-550型綜合場(chǎng)強(qiáng)儀，選用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(cè)限為0.2 V/m（0.0001W/m2）。

5 電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1 基站地區(qū)分布情況分析

泉州地區(qū)中國(guó)移動(dòng)第二批工程共包括718個(gè)GSM基站、676個(gè)TD基站和685個(gè)LTE基站。本次驗(yàn)收項(xiàng)目GSM、TD和LTE基站分布在豐澤、鯉城、晉江、石獅、南安和惠安較多，所占比例在10%至20%，其余安溪、永春、泉港和德化的數(shù)量相對(duì)較少，所占比例在10%以下（圖1）。

圖1 泉州地區(qū)基站區(qū)域分布情況

南平地區(qū)移動(dòng)通信網(wǎng)第二批工程共包括820個(gè)GSM基站、577個(gè)TD基站和303個(gè)LTE基站。GSM、TD和LTE基站分布在延平最多，所占比例在20%以上，其余區(qū)縣的數(shù)量相對(duì)較少，所占比例均低于10%（圖2）。

圖2 南平地區(qū)基站區(qū)域分布情況

5.2 基站單、共網(wǎng)情況分析

泉州地區(qū)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)共801個(gè)基站物理站址（物理站址是指移動(dòng)基站所在的具體位置，屋面、地面塔、等徑桿等，一個(gè)物理站址可能架設(shè)多個(gè)移動(dòng)基站）。單個(gè)物理站址只含有GSM、TD、LTE通訊網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)稱作單網(wǎng)基站；雙網(wǎng)基站是指一個(gè)物理站址含有兩個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)。泉州地區(qū)GSM單網(wǎng)與LTE單網(wǎng)基站所占比例之和僅為11.3%，GSM/TD雙網(wǎng)、GSM/LTE雙網(wǎng)以及TD/LTE雙網(wǎng)基站占比均不足10%，GSM/TD/LTE三網(wǎng)共址占驗(yàn)收基站總數(shù)的70.9%（表4），運(yùn)營(yíng)商基于基站征租地難、方便后期維護(hù)等原因，LTE基站和TD基站選址時(shí)基本選擇與已有的GSM基站共址；南平地區(qū)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)共1147個(gè)物理站址，單網(wǎng)基站所占比例為59.1%，GSM/TD雙網(wǎng)基站占基站總數(shù)的25.3%，GSM/LTE雙網(wǎng)、TD/LTE雙網(wǎng)以及GSM/TD/LTE三網(wǎng)基站占比較小，均不足10%（表5）。南平地域廣袤,為了滿足基本的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋,GSM單網(wǎng)基站占比較大。

表4 泉州地區(qū)基站單、共網(wǎng)分布

表5 南平地區(qū)基站單、共網(wǎng)分布

5.3 基站單、共址情況對(duì)照

實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，一個(gè)物理站址可能有多家運(yùn)營(yíng)商的基站，這種情況稱作與其他運(yùn)營(yíng)商基站共址。泉州、南平兩地共址數(shù)量相當(dāng)，具體對(duì)照情況見(jiàn)表6。

表6 泉州、南平地區(qū)基站單共址情況對(duì)照表

5.4 基站架設(shè)方式（塔型）統(tǒng)計(jì)

根據(jù)天線的依托形式分類，泉州、南平兩地基站架設(shè)方式共有5種，分別為屋面抱桿、美化天線、屋面塔、地面塔、室分天線。泉州地區(qū)基站主要以屋面抱桿的形式架設(shè)，南平地區(qū)主要以屋面抱桿、地面塔兩種形式架設(shè)。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 泉州、南平地區(qū)基站塔型統(tǒng)計(jì)

5.5 功率密度測(cè)值分布分析

不同類型共網(wǎng)基站的功率密度測(cè)量值分布情況見(jiàn)圖3~圖7。為了統(tǒng)計(jì)不同測(cè)值范圍內(nèi)的基站分布數(shù)量，現(xiàn)將測(cè)量值分為0.01W/m2的寬度區(qū)間，（0.01，0.02］表示“0.01W/m2＜功率密度≤0.02 W/m2”，縱軸表示在此功率密度范圍內(nèi)的基站數(shù)量。選取的所有基站中，電磁輻射測(cè)值小于0.02W/m2的基站：LTE單網(wǎng)基站分別占70.6%、81.8%（圖3）；TD/LTE基站分別占86.4%、71.7%（圖4）；GSM/LTE基站分別占81.8%、52.1%（圖5）；GSM單網(wǎng)基站分別占64.4%、83.0%（圖6）；GSM/TD/LTE基站分別占70.9%、50.7%（圖7）。南平地區(qū)基站周圍環(huán)境最大功率密度測(cè)值在0.07～0.08W/m2之間占比0%，泉州地區(qū)基站周圍環(huán)境最大功率密度測(cè)值在0.07～0.08W/m2之間占比0.25%?？傮w上看，泉州以及南平地區(qū)移動(dòng)通信基站產(chǎn)生的電磁輻射總體控制水平符合《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中公眾照射導(dǎo)出限值0.4W/m2的要求，單個(gè)基站運(yùn)行產(chǎn)生的電磁輻射未超過(guò)0.08W/m2的管理限值。從功率密度測(cè)值分布來(lái)看，LTE單網(wǎng)基站、TD/LTE共網(wǎng)基站電磁輻射較小，測(cè)值集中分布在≤0.02W/m2范圍內(nèi)。GSM/TD/LTE三網(wǎng)基站測(cè)值分布較為分散，運(yùn)營(yíng)商日常管理過(guò)程中應(yīng)注意降低基站發(fā)射功率，避免其電磁輻射超過(guò)管理限值。

圖3 LTE基站功率密度測(cè)值范圍分布

圖4 TD/LTE共址基站功率密度測(cè)值范圍分布

圖5 GSM/LTE共址基站功率密度測(cè)值范圍分布

圖6 GSM基站功率密度測(cè)值范圍分布

圖7 GSM/TD/LTE基站功率密度測(cè)值范圍分布

5.6 功率密度與測(cè)點(diǎn)水平，垂直距離分析

為了統(tǒng)計(jì)功率密度在空間上的分布，現(xiàn)將水平距離分為5m、垂直距離分為3m的寬度區(qū)間，（0，5］表示“0m＜測(cè)點(diǎn)離基站發(fā)射面板中心水平距離≤5m”，縱軸表示在此距離范圍內(nèi)所有測(cè)量值的平均值。以南平地區(qū)為例，由圖8~圖9可知，測(cè)點(diǎn)與天線的水平、垂直距離增大，功率密度平均值急劇減小；測(cè)點(diǎn)與天線水平距離大于18m、垂直距離大于7m，功率密度平均值下降趨勢(shì)變緩；水平距離大于50m、垂直距離大于15m的情況下，功率密度平均值處于環(huán)境本底水平。

圖8 基站功率密度平均值與天線水平距離的關(guān)系

圖9 基站功率密度平均值與天線垂直距離的關(guān)系

圖8、圖9表明，不同類型基站的功率密度平均值均低于電磁輻射管理環(huán)境管理限值。實(shí)測(cè)結(jié)果與表3中不同類型的基站水平、垂直方向防護(hù)距離理論計(jì)算結(jié)果相比，理論計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果偏保守，主要原因在于實(shí)測(cè)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

本文選取南平、泉州地區(qū)總計(jì)1948個(gè)移動(dòng)通信基站為研究對(duì)象，對(duì)其地區(qū)分布情況、單、共網(wǎng)情況、單、共址情況、架設(shè)方式（塔型）、周圍電磁輻射環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，泉州地區(qū)GSM、TD和LTE基站分布在豐澤、鯉城、晉江、石獅、南安和惠安較多，所占比例在10%~20%，南平地區(qū)GSM、TD和LTE基站在延平分布最多，所占比例在20%以上。泉州地區(qū)GSM/TD/LTE三網(wǎng)基站占驗(yàn)收基站總數(shù)的70.9%，運(yùn)營(yíng)商基于基站征租地難、方便后期維護(hù)等原因，LTE基站和TD基站選址時(shí)基本選擇與已有的GSM基站共址；南平地區(qū)單網(wǎng)基站所占比例為59.1%，由于南平地域廣袤，為了滿足基本的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，GSM單網(wǎng)基站占比較大。泉州、南平兩地與其他運(yùn)營(yíng)商基站共址數(shù)量相當(dāng)。泉州地區(qū)基站主要以屋面抱桿的形式架設(shè)，而南平地區(qū)基站主要以屋面抱桿、地面塔兩種形式架設(shè)。

泉州、南平地區(qū)移動(dòng)通信基站產(chǎn)生的電磁輻射總體控制水平符合《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中公眾照射導(dǎo)出限值0.4W/m2的要求，單個(gè)基站運(yùn)行產(chǎn)生的電磁輻射未超過(guò)0.08W/m2的管理限值。泉州地區(qū)GSM/LTE雙網(wǎng)基站功率密度測(cè)值在0.05~0.08 W/m2范圍所占比例為14.7%， GSM/TD/LTE三網(wǎng)基站功率密度測(cè)值在0.03~0.007W/m2之間呈均勻分布，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)適當(dāng)降低基站發(fā)射功率，避免電磁輻射超過(guò)管理限值；南平地區(qū)基站功率密度測(cè)點(diǎn)主要分布在0.01~0.02W/m2，功率密度測(cè)值在0.06~0.08 W/m2范圍之間的極少。從基站功率密度分布測(cè)量結(jié)果上看，南平地區(qū)GSM/LTE雙網(wǎng)、GSM/TD/LTE三網(wǎng)基站的電磁輻射控制水準(zhǔn)優(yōu)于泉州地區(qū)。

理論模型與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相較偏于保守，主要原因在于實(shí)測(cè)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。為了更好地對(duì)移動(dòng)通信基站進(jìn)行監(jiān)督與管理，在滿足通話質(zhì)量的情況下盡量降低發(fā)射功率或者天線增益，通過(guò)媒體加強(qiáng)宣傳，讓公眾了解移動(dòng)通信基站的工作原理，使人們對(duì)移動(dòng)通信基站的電磁輻射有一客觀公正的評(píng)價(jià)[7]。新建基站之前充分考慮空間優(yōu)化布局，盡量遠(yuǎn)離公眾活動(dòng)區(qū)域。

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