移動(dòng)基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度分布和規(guī)劃控制距離

翟國慶,周 兵,賈 麗,曹 勇,楊維耿(.浙江大學(xué)環(huán)境污染控制技術(shù)研究所,浙江 杭州 3008；.浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測站,浙江 杭州 300)

移動(dòng)基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度分布和規(guī)劃控制距離

翟國慶1*,周 兵1,賈 麗1,曹 勇2,楊維耿2(1.浙江大學(xué)環(huán)境污染控制技術(shù)研究所,浙江 杭州 310028；2.浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測站,浙江 杭州 310012)

為掌握畸變條件下移動(dòng)通訊基站周圍功率密度分布,合理確定其規(guī)劃控制距離,在杭州市主城區(qū)選取具有不同網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)的2057個(gè)移動(dòng)基站,實(shí)測話務(wù)高峰期基站周圍射頻場功率密度.結(jié)果表明,畸變條件下GSM基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度S∝r-1.83(非畸變條件下S∝r-2),決定系數(shù)R2=0.80;距基站天線20m內(nèi),約85.91%測點(diǎn)功率密度實(shí)測值小于非畸變條件下依據(jù)天線標(biāo)稱功率和增益計(jì)算的理論值.,頻數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,距天線1～15m范圍內(nèi),運(yùn)營商A所屬基站S10值(表示有10%的測點(diǎn)功率密度高于該值)比運(yùn)營商B高10.00%;距天線1～30m內(nèi),雙網(wǎng)和三網(wǎng)共站基站S10值分別比單網(wǎng)基站高50.31%和57.10%.移動(dòng)通訊基站規(guī)劃控制距離以15m為宜,15m外測點(diǎn)功率密度值超過8μW/cm2的基站只占所測基站的0.11%.

移動(dòng)通訊基站；畸變場；功率密度；衰減模式；規(guī)劃控制距離

Abstract：In order to investigate power density distribution regularity and determine planning control distance reasonably, 2057 mobile communication base stations with various network types and carrier wave numbers in urban district of Hangzhou were selected, and the radiofrequency field power density around the antenna was measured when mobile phone traffic was in peak period. Results indicated that far-field power density of GSM base stations S∝r?1.83under the condition of distortion field (S∝r?2under the condition of non-distortion field), and the determination coefficient (R2) is 0.80; in the range of 20m away from antenna, about 85.91% of measured power density values around base stations is less than theoretical values, which can be calculated according to antenna nominal power and antenna gain under the condition of non-distortion field. In addition, the frequency statistical results indicated that, in the range of 1～15m away from antenna, S10(10% of measured values are higher than the value of S10) of base stations which belong to A operator is 10.00% higher than B operator; in the range of 1～30m away from antenna, the statistical power density values S10of base stations with double and ternate networks are 50.31% and 57.10% higher than base stations with single network respectively. So the planning control distance of mobile communication base stations determined accordingly should be 15m. Out of this range, only 0.11% of base stations power density values are above 8μW/cm2.

Key words：mobile communication base stations；distortion field；power density；attenuation model；planning control distance

目前,我國手機(jī)使用量已居世界首位,移動(dòng)通訊基站數(shù)量和密度近年來增長較快.為防止頻率復(fù)用電磁波越界帶來的同頻干擾,基站天線高度隨之降低,天線輻射的電磁波在樓群中傳送與反射的幾率增多,即輻射到居民樓的機(jī)會(huì)增加;基站發(fā)射機(jī)功率也隨之降低,基站與基站之間的距離逐漸減小,可能造成多個(gè)基站之間場強(qiáng)和功率密度疊加[1].手機(jī)及通訊基站所輻射的電磁波對人體健康的影響備受關(guān)注.一般來說,過量超強(qiáng)度的電磁輻射對人體造成急性損害的情況比較少見,但有文獻(xiàn)報(bào)道低強(qiáng)度、長期慢性積累的電磁輻射暴露,可能對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)以及機(jī)體免疫功能等造成多方面的損害[2-3].因此,調(diào)查實(shí)際環(huán)境中移動(dòng)通訊基站周圍射頻場分布,建立畸變條件下移動(dòng)基站功率密度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模式,并對基站提出合理的規(guī)劃控制距離要求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.通常所提防護(hù)距離為與基站地面投影的水平距離要求,而本文所指規(guī)劃控制距離指公眾可進(jìn)入范圍與基站天線的最近直線距離要求.

為此,選取杭州市主城區(qū)2008年底前建成投運(yùn)的具有不同網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)的2057個(gè)移動(dòng)通訊基站,實(shí)測話務(wù)高峰期基站周圍射頻場功率密度.根據(jù)938個(gè)GSM移動(dòng)通訊基站周圍測點(diǎn)功率密度實(shí)測值,通過數(shù)據(jù)擬合,建立了畸變條件下GSM基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度隨距離衰減的關(guān)系式.同時(shí)對2057個(gè)移動(dòng)通訊基站話務(wù)高峰期周圍功率密度實(shí)測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并結(jié)合目前我國移動(dòng)通訊基站的發(fā)展趨勢和電磁輻射特性,合理確定通訊基站的規(guī)劃控制距離.

1 研究方法

1.1畸變條件下移動(dòng)通訊基站功率密度衰減模式研究

移動(dòng)通訊基站輻射的射頻電磁波屬于微波(300MHz-300GHz)頻段,我國《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T10.2-1996)中給出了微波頻段功率密度遠(yuǎn)場軸向預(yù)測模式[4].在不考慮畸變情況下,可采用上述模式預(yù)測計(jì)算移動(dòng)基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度分布,但實(shí)際移動(dòng)通訊基站輻射場分布受周邊建筑、地形等影響較大.為此,在對938個(gè)GSM移動(dòng)通訊基站周圍射頻場功率密度進(jìn)行實(shí)測基礎(chǔ)上,通過數(shù)據(jù)擬合,建立畸變條件下GSM基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度隨距離衰減的關(guān)系式.

所調(diào)查測量的基站均位于杭州市主城區(qū),各基站發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率及天線增益相同,分別為15W和15dB.考慮到我國GSM移動(dòng)通訊基站上行頻率為905～915MHz,下行頻率為950～960MHz,對應(yīng)波長(λ)為0.31～0.33m,全部功率密度測點(diǎn)與基站天線直線距離均大于3λ即處于1m之外的遠(yuǎn)場區(qū).為建立極端條件下GSM移動(dòng)通訊基站功率密度遠(yuǎn)場區(qū)衰減模式,全部測點(diǎn)測量時(shí)段均為話務(wù)高峰期,對與發(fā)射天線直線距離相同的測點(diǎn),取功率密度測量結(jié)果中的較大值作為擬合數(shù)據(jù).

1.2移動(dòng)通訊基站防護(hù)距離研究

我國2008年底前建成投運(yùn)的移動(dòng)通訊基站網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)主要有如下3種:GSM900/ DCS1800/CDMA單網(wǎng);GSM900與CDMA共站;GSM900、DCS1800與CDMA共站.隨機(jī)選取2057個(gè)基站(單網(wǎng)、雙網(wǎng)共站和三網(wǎng)共站基站數(shù)分別為1152、486和419),實(shí)測基站附近遠(yuǎn)場區(qū)功率密度值,采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件,按測點(diǎn)與基站天線之間的直線距離范圍,對3種類型基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度實(shí)測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

我國《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》(GB8702-88)規(guī)定,通訊基站輻射的電磁波頻率范圍內(nèi),24h中環(huán)境電磁輻射場的場量參數(shù)在任意連續(xù)6min內(nèi),平均值應(yīng)滿足功率密度低于0.4W/cm2的要求,對單個(gè)基站一般取功率密度限值的1/5即8μW/cm2作為公眾照射標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行控制[5].為此,根據(jù)對基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度大量實(shí)測值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,比照單個(gè)基站周圍公眾照射功率密度值控制要求,確定移動(dòng)通訊基站規(guī)劃控制距離.

2 結(jié)果與討論

2.1畸變條件下移動(dòng)通訊基站功率密度衰減模式

GSM移動(dòng)通訊基站周圍功率密度理論值和實(shí)測值對比見圖1.結(jié)果表明,功率密度理論值和實(shí)測值隨距離的變化趨勢總體相同,但受基站周圍建筑、地形等影響,實(shí)測值大于理論值的測點(diǎn)數(shù)約占總測點(diǎn)數(shù)的34.92%,其中距天線1～15m范圍內(nèi)測點(diǎn)占9.09%,15～20m范圍內(nèi)測點(diǎn)占5.00%.

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),擬合建立畸變條件下GSM基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度隨距離衰減的關(guān)系式為

圖1 GSM移動(dòng)通訊基站周圍功率密度理論值和實(shí)測值分布Fig.1 Distribution of theoretical and measured power density values of GSM communication base stations

式中:S為功率密度,μW/cm2;r為基站天線與測點(diǎn)之間直線距離,m;P為雷達(dá)發(fā)射機(jī)平均功率,W;G為天線增益,倍數(shù).通信基站符合《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB9175-88)中一級標(biāo)準(zhǔn)的室外安全防護(hù)距離理論值為14.3m,符合二級標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)距離為7.1m[7];另有研究者對遼寧省2781個(gè)移動(dòng)通訊基站進(jìn)行研究,提出符合《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中公眾暴露限值的1/5(8μW/cm2)的防護(hù)距離范圍為12～38m[8];還有研究認(rèn)為,在極端情況(所有發(fā)射均為滿功率,無阻擋物,正對天線主瓣方向)下,防護(hù)距離不超過30m[9].參考以上研究結(jié)果及單個(gè)基站周圍公眾照射功率密度值的控制要求,根據(jù)表1所給出的大量基站附近功率密度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,以統(tǒng)計(jì)值S10作為參考量,移動(dòng)通訊基站規(guī)劃控制距離以15m為宜.

圖2 不同類型基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度統(tǒng)計(jì)值Fig.2 Far-field statistical power density values of various base stations

2.2移動(dòng)通訊基站防護(hù)距離

對具有不同網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)的基站,距天線不同距離范圍內(nèi)測點(diǎn)功率密度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖2.圖2中S10、S50、S90分別表示有10%、50%、90%的測點(diǎn)功率密度值高于該值.由圖2可知,話務(wù)高峰期具有不同網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)的移動(dòng)通訊基站周圍功率密度呈現(xiàn)一定變化規(guī)律.距天線1～30m范圍內(nèi),雙網(wǎng)和三網(wǎng)共站基站附近S10值分別高于單網(wǎng)基站50.31%和57.10%;距天線1～60m范圍內(nèi),雙網(wǎng)和三網(wǎng)共站基站S10分別高于單網(wǎng)基站54.55%和110.10%;距天線0～90m范圍內(nèi),雙網(wǎng)和三網(wǎng)共網(wǎng)基站S10分別高于單網(wǎng)基站28.79%和110.61%.可見,具有不同網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)的通訊基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定差異.為確定移動(dòng)通訊基站規(guī)劃控制距離,基站網(wǎng)絡(luò)類型和載波數(shù)的影響不容忽視.

有研究者通過對我國部分省市的移動(dòng)通訊基站電磁污染現(xiàn)狀的普查,提出了相應(yīng)的防護(hù)距離要求,如湖南省有研究者提出的防護(hù)距離為20m[6];廣東省有研究者提出在天線處于發(fā)射最大功率狀態(tài)時(shí),900MHz和1800MHz頻段的移動(dòng)通信基站符合《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB9175-88)中一級標(biāo)準(zhǔn)的室外安全防護(hù)距離理論值為14.3m,符合二級標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)距離為7.1m[7];另有研究者對遼寧省2781 個(gè)移動(dòng)通訊基站進(jìn)行研究,提出符合《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中公眾暴露限值的1/5(8μW/cm2)的防護(hù)距離范圍為12～38m[8];還有研究認(rèn)為,在極端情況(所有發(fā)射均為滿功率,無阻擋物,正對天線主瓣方向)下,防護(hù)距離不超過30m[9].參考以上研究結(jié)果及單個(gè)基站周圍公眾照射功率密度值的控制要求,根據(jù)表1 所給出的大量基站附近功率密度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,以統(tǒng)計(jì)值S10 作為參考量,移動(dòng)通訊基站規(guī)劃控制距離以15m 為宜.

圖2 不同類型基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度統(tǒng)計(jì)值Fig.2 Far-field statistical power density values of various base stations

常見的移動(dòng)通訊基站天線架設(shè)方式有支撐桿、屋頂塔、增高架及落地鐵塔等.我國城市范圍內(nèi)的移動(dòng)通訊基站天線多架設(shè)于建筑屋頂[10],

因此公眾可到達(dá)區(qū)域距天線的直線距離一般都大于15m,將該值作為基站規(guī)劃控制距離實(shí)施起來也較為可行.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在調(diào)查測量的2057個(gè)基站中,距天線15m外,只有約0.11%的基站功率密度測量值會(huì)超過8μW/cm2.這部分基站完全可以通過降低發(fā)射功率、調(diào)整天線主瓣方向、適當(dāng)增加天線高度等措施達(dá)到這一要求[11].而且,隨著我國3G等新一代移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展,基站建設(shè)呈現(xiàn)單個(gè)基站發(fā)射功率減小、分布密度增大趨勢,今后該規(guī)劃控制距離外功率密度超過8μW/cm2的可能性將更小.

表1 基站周圍功率密度測量值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(μW/cm2)Table 1 Statistical analysis results of power density values around base stations(μW/cm2)

3 結(jié)論

3.1畸變條件下GSM基站遠(yuǎn)場區(qū)功率密度S∝r-1.83(非畸變條件下S∝r-2),R2=0.80;距基站天線20m內(nèi),約85.91%測點(diǎn)功率密度實(shí)測值小于非畸變條件下依據(jù)天線標(biāo)稱功率和增益計(jì)算的理論值.

3.2頻數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,距移動(dòng)通訊基站天線1～5m內(nèi),各測點(diǎn)功率密度統(tǒng)計(jì)值S10高于8μW/cm2,其余范圍內(nèi)S10值均低于8μW/cm2.距天線1～15m內(nèi),運(yùn)營商A所屬基站S10值比運(yùn)營商B高10.00%.距天線1～30m內(nèi),雙網(wǎng)和三網(wǎng)共站基站S10值分別比單網(wǎng)基站高50.31%和57.10%.

3.3單個(gè)基站功率密度貢獻(xiàn)值按8μW/cm2進(jìn)行控制情況下,移動(dòng)通訊基站規(guī)劃控制距離以15m為宜,15m外功率密度值出現(xiàn)超過8μW/cm2的基站約占總基站的0.11%,采取一般技術(shù)措施后這些基站15m外測點(diǎn)功率密度值完全可以控制在8μW/cm2以下.區(qū)別于一般“防護(hù)距離”概念,對移動(dòng)通訊基站實(shí)施“規(guī)劃控制距離”更具可行性.

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Distribution of far-field power density and planning control distance of mobile base stations.

DI Guo-qing1*, ZHOU Bing1, JIA Li1, CAO Yong2, YANG Wei-geng2(1.Institute of Environmental Pollution and Controlling Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China；2.Radiation Environmental Monitoring Station of Zhejiang Province, Hangzhou 310012, China). China Environmental Science, 2010(9)：1293～1296

X123

A

1000-6923(2010)09-1293-04

翟國慶(1973-),男,浙江杭州人,副教授,博士,主要從事環(huán)境物理方面的教學(xué)和科研工作.發(fā)表論文30余篇.

2010-01-17

國家環(huán)境保護(hù)總局核與輻射安全2007年項(xiàng)目計(jì)劃(調(diào)查0705)

* 責(zé)任作者, 副教授, dgq@zju.edu.cn