小區(qū)覆蓋電磁輻射安全距離設(shè)計指引*

羅鳳婭，胡 華

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

經(jīng)過幾年大力的部署，國內(nèi)4G基站建設(shè)已經(jīng)步入一個相對平穩(wěn)的階段，整張4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完成了基礎(chǔ)面覆蓋，4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)逐步轉(zhuǎn)入深度覆蓋，運營企業(yè)更關(guān)注于局部重點區(qū)域的覆蓋質(zhì)量。從大數(shù)據(jù)覆蓋質(zhì)量來看，目前4G網(wǎng)絡(luò)的弱覆蓋區(qū)域主要集中在深度覆蓋，其中最迫切需要解決的是居民小區(qū)的深度覆蓋問題。居民小區(qū)用戶高度集中，無線信號需求較大，同時樓層高且建筑物密集，信號損耗大，居民小區(qū)內(nèi)地面和室內(nèi)信號難以到達(dá)[1-2]。

居民小區(qū)宏站覆蓋效果不理想，且協(xié)調(diào)難度大，多采用小區(qū)點射或美化天線來解決，點位分布密集，因此電磁輻射對人體的照射傷害成為了關(guān)注的焦點[3]。本文從理論推導(dǎo)電磁輻射計算公式，提出小區(qū)覆蓋中基站與居民活動區(qū)域的安全距離，以指導(dǎo)小區(qū)覆蓋設(shè)計方案。

1 電磁輻射安全距離計算公式

1.1 電磁輻射國家標(biāo)準(zhǔn)

我國國家環(huán)境保護部發(fā)布的《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702－2014），確定了電磁輻射的國家標(biāo)準(zhǔn)是：在30～3 000 MHz的頻率范圍內(nèi)，公眾照射在一天24 h內(nèi)，環(huán)境電磁輻射場的場量參數(shù)在任意連續(xù)6 min內(nèi)的平均值不超過0.4 W/m2[4-7]。

1.2 電磁輻射安全距離

根據(jù)電磁場理論公式[8-10]

式中：Pr：接收功率（W）；λ:波長（m），λ=c/f；Gr:接收天線增益（dBi）,對于點源天線增益為0dBi，即為1；E:電磁波復(fù)合場強（v/m），E2=377×S，S為功率密度（W/m2）。

將上述數(shù)值代入式（1），其中f（MHz），取對數(shù)得：

根據(jù)接收點復(fù)合功率公式：

天線端口等效發(fā)射功率：

式中：Pt：發(fā)射功率（W）；Gt：發(fā)射天線增益（dBi）；Lf：饋線（頭）總損耗（dB），與饋線長度有關(guān)；Lb：其他損耗（dB），穿透、多徑損耗，此處取0；L：傳播損耗（dB）。

由式（3）和式（4），得最小空間傳播損耗L

式中：Pt：發(fā)射功率（W）；Gt：發(fā)射天線增益（dBi）。

按自由空間衰耗，傳播損耗L與距離d（km）的關(guān)系，其中f（MHz），有：

由式（5）和式（6），推導(dǎo)得20×lgd=EIRP-11-10×lgS，其中d（m），即：

因此，根據(jù)式（7）測算出的小區(qū)基站距離居民活動區(qū)域d滿足電磁輻射國家標(biāo)準(zhǔn)S=0.4 W/m2即為安全距離。

2 電磁輻射現(xiàn)場測試與理論計算驗證

2.1 小區(qū)覆蓋基本情況

小區(qū)面積0.03 km2，建設(shè)7個RRU，其中3個美化燈桿（全向），4個美化空調(diào)（方位角分別為140°/240°/240°/240°），掛高均為1 m。點位分布如圖1所示。

圖1 小區(qū)點射分布

本次小區(qū)點射頻段800 MHz，帶寬5 MHz，參數(shù)配置PA=-3，PB=-1，RS發(fā)射功率與RRU設(shè)備發(fā)射功率配置，對應(yīng)的等效發(fā)射功率：

EIRP=發(fā)射功率-饋線（頭）總損耗+

美化燈桿：

美化空調(diào)：

其中：

（1）美化燈桿增益8 dBi,美化燈桿RRU至天線1/2饋線長度均為30 m，饋線損耗約2 dB（800 MHz 1/2饋線損耗0.65 dB/10 m）；饋線接頭損耗1dB/個。

（2）美化空調(diào)天線增益12 dBi,美化空調(diào)RRU至天線1/2饋線長度均為20 m，饋線損耗約1.4 dB；饋線接頭損耗1 dB/個。

2.2 現(xiàn)場測試值

2.2.1 一體化美化燈桿

本次對單站電磁輻射進行測試，測試位置為距離基站2 m處最近的小區(qū)道路上，分別測試了RRU發(fā)射功率為14 W（現(xiàn)網(wǎng)基站開通功率值）、25 W、35 W、40 W時的電磁輻射值。從表1可以看，RRU發(fā)射功率不大于30 W的情況下，可以滿足電磁輻射的要求，因此一體化美化燈桿設(shè)計的2 m電磁輻射安全距離是達(dá)標(biāo)的[11-12]。

表1 燈桿全向天線647128-53(PCI：404)

2.2.2 美化空調(diào)天線

本次對單站電磁輻射進行測試，測試位置為距離基站1 m處最近的小區(qū)道路上，分別測試了RRU發(fā)射功率為5 W、20 W（現(xiàn)網(wǎng)基站開通功率值）時的電磁輻射值。

表2 空調(diào)定向天線647127-53(PCI：338)

從表2可以看，在1 m處RRU發(fā)射功率即使為5 W也不能滿足電磁輻射的要求。隨著距離的拉遠(yuǎn)，輻射強度衰減明顯，當(dāng)RRU發(fā)射功率為25 W時，在8 m以外的區(qū)域電磁輻射可達(dá)標(biāo)。因此美化空調(diào)天線的電磁輻射安全距離不達(dá)標(biāo)，需要對現(xiàn)場基站位置進行調(diào)整[13-14]。

2.3 理論計算

本小節(jié)將通過理論推導(dǎo)式（7），d=10[（EIRP-10×lg（4×π）-10×lgS）/20]計算以上 2 種設(shè)計場景下電磁輻射安全距離，由此可以看到理論計算與現(xiàn)場測試值基本吻合。Lf的值取決于RRU至天線的饋線長度，RRU就近安裝只考慮饋線頭損耗，因此我們在后面計算中都取2 dB。

從表3可以看，美化燈桿現(xiàn)網(wǎng)功率14 w的情況下，電磁輻射安全距離為3 m左右。

表3 美化燈桿（電磁輻射安全距離d(m),其中S=0.4W/m2,Lb=0）

從表4可以看，美化空調(diào)現(xiàn)網(wǎng)功率20 w的情況下，電磁輻射安全距離為6 m左右，根據(jù)小區(qū)現(xiàn)場情況，要達(dá)到6 m以上的安全距離很困難，因此，采取美化空調(diào)降功率調(diào)整安裝位置的解決措施。初步方案：RRU發(fā)射功率降到5 w，安裝位置調(diào)整到1樓入戶飄窗臺位置，距離居民活動區(qū)域約3 m左右，可以滿足電磁輻射安全距離。

表4 美化空調(diào)（電磁輻射安全距離d(m),其中S=0.4W/m2,Lb=0）

2.4 覆蓋分析

根據(jù)800M鏈路預(yù)算測算美化燈桿、美化空調(diào)基站覆蓋能力，其參數(shù)配置如表5所示。

根據(jù)鏈路預(yù)算，美化燈桿RRU發(fā)射功率14 w，天線增益8 dBi，天線高度為3 m，覆蓋距離為190 m，受限于上行覆蓋，滿足基站設(shè)計覆蓋需求。

根據(jù)鏈路預(yù)算，美化空調(diào)RRU發(fā)射功率5 w，天線增益12 dBi，天線高度為3 m，覆蓋距離為210 m，滿足基站設(shè)計覆蓋需求。

表5 800M鏈路預(yù)算及參數(shù)配置

3 小區(qū)基站設(shè)計電磁輻射安全距離與覆蓋能力

由于小區(qū)環(huán)境的特殊性及復(fù)雜性，小區(qū)覆蓋基站設(shè)計我們需要同時考慮電磁輻射安全性與基站的覆蓋能力，在本節(jié)將給出對應(yīng)參考值，以便設(shè)計時查詢。

3.1 電磁輻射安全距離

對應(yīng)不同RRU發(fā)射功率及天線增益，電磁輻射安全距離如表6所示。

表6 電磁輻射安全距離d(m),其中S=0.4W/m2,Lf=2dB,Lb=0

對應(yīng)不同電磁輻射安全距離及天線增益，RRU最大發(fā)射功率如表7所示。

3.2 800M與1.8G覆蓋能力

對應(yīng)不同RRU發(fā)射功率及天線增益，800M基站覆蓋距離如表8所示。

表7 滿足達(dá)標(biāo)距離的RRU最大發(fā)射功率（w）,其中S=0.4W/m2,Lf=2dB,Lb=0

表8 800M覆蓋半徑（m)（天線掛高設(shè)置為3 m)

對應(yīng)不同RRU發(fā)射功率及天線增益，1.8G基站覆蓋距離如表9所示，常用天線及增益如表10所示。

表9 1.8G覆蓋半徑（m)（天線掛高設(shè)置為3 m)

表10 常用天線及增益

4 結(jié) 語

本文對居民小區(qū)覆蓋場景及小區(qū)深度覆蓋方式進行了分析，小區(qū)深度覆蓋需同時考慮覆蓋效果及電磁輻射對人體的長期照射危害。目前，為提升小區(qū)地面及樓內(nèi)覆蓋效果，消除覆蓋盲區(qū)，小區(qū)覆蓋多采用宏微協(xié)同的方式，美化天線是主要手段。居民小區(qū)內(nèi)人口密集，用戶活動區(qū)域固定且活動時間長，因此基站設(shè)計必須保障居民的人身安全。本文通過理論計算與現(xiàn)場測試驗證，兼顧覆蓋與輻射，給出了小區(qū)基站設(shè)計安全距離及覆蓋能力參考指引表。