基于正交試驗的移動通信基站電磁輻射影響因素分析

張琳，吳廣芬，何水悠，湯雙超，趙蘇寧，鄭玉露

（煙臺大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院，煙臺 264005）

概述

在信息化時代的今天，網(wǎng)絡(luò)需求日益增大，為了提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足手機信號強度和連貫性的需要，從而擴大基站信號的覆蓋面積和強度，加大基站建設(shè)規(guī)模和密度。與此同時，通信基站的電磁輻射廣泛暴露在我們周圍，引起了越來越多的人關(guān)注基站電磁輻射帶來的影響[1]。由于基站建設(shè)周圍建筑物、地形、地貌、人群密度等各類因素的影響，使得基站電磁輻射強度的分布越來越復(fù)雜化。為了對基站天線電磁輻射的影響進行充分的了解，國內(nèi)外有關(guān)這方面的研究和監(jiān)測工作不斷增加[2]，但對于移動通信基站電磁輻射影響因素進行綜合優(yōu)化研究并不多見。因此，對移動基站電磁輻射影響因素進行研究，得到各個因素影響基站電磁輻射大小的主次順序以及各因素的最佳水平，最終確立電磁輻射值影響最小的布設(shè)方案，為今后通信基站的建設(shè)提供最優(yōu)的建設(shè)依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計是一種研究多因素試驗的重要數(shù)理方法，具有水平均勻性、搭配均勻性的特點，也是對試驗因素做合理的、有效的安排，最大限度的減少試驗次數(shù)，是高效、快捷、經(jīng)濟的方法，因此本文采用正交試驗法。

通過總結(jié)前人試驗研究成果[3-5]，本試驗以方向、水平距離和垂直高度這3個因素為對象進行研究（其中水平距離為試驗點距基站的水平距離，垂直高度為試驗點距地面的垂直高度，下文簡稱水平距離、垂直高度），根據(jù)基站的空間位置和實際測量的可行性，方向取4個水平，水平距離、垂直高度分別取2個水平，進行因素與水平表的設(shè)計，具體如表1。選用L8(41×24) 混合正交表，式中“8”為正交表行數(shù)（即安排8次試驗），“41”為1個因素下設(shè)4水平（本試驗即方向因素），“24”為4個因素下設(shè)2個水平（本試驗因只有水平距離、垂直高度2個因素，多出兩列空白列作誤差項用），具體正交試驗設(shè)計方案如表2。

1.2 試驗指標(biāo)與結(jié)果分析方法

試驗指標(biāo)必須滿足能夠客觀評價試驗對象特定性質(zhì)的要求，而且試驗指標(biāo)必須具有代表性，它直接關(guān)系到實驗結(jié)論的合理性[6]。電磁輻射作為能量流，其所產(chǎn)生的電磁輻射污染現(xiàn)象會對人體健康帶來較大的危害[7]。因此將各試驗點的電磁輻射值作為試驗指標(biāo)。

極差是指一組數(shù)據(jù)中的最大數(shù)據(jù)與最小數(shù)據(jù)的差，它反映了一組數(shù)據(jù)的離散程度[7]。極差分析法因簡單直觀而被廣泛使用，該方法是用極差 Rj 來分析各因素對結(jié)果的影響程度。Rj越大，相應(yīng)因素對目標(biāo)參數(shù)的影響越大，重要性就越大。

式中：

ki—第i水平對應(yīng)指標(biāo)和Ki的平均值，即ki = Ki/r，其中r為任一列同一水平出現(xiàn)的次數(shù)[8]。

1.3 基站電磁輻射檢測

1.3.1 檢測基站及周圍環(huán)境

此次試驗選取了一座正在使用的并且周圍居住和流動的人員較多的基站，該基站為樓頂式基站，位于一棟四層辦公樓上，辦公樓正北方向約60 m是一棟賓館建筑，并且該建筑物的高度稍低于基站，居民樓位于辦公樓的正東方向50 m以內(nèi)，流動人員較多的小吃街、火鍋店位于正西方位50 m以內(nèi)，辦公樓正南方為一條馬路，馬路對面南偏東方向約100 m為路，馬路對面南偏東方向約100 m為商業(yè)街。

表1 因素與水平表L8(41×24)

表2 正交試驗方案設(shè)計

1.3.2 檢測設(shè)備

檢測設(shè)備選自臺灣生產(chǎn)，專用于基站測試電磁波的三軸高頻電磁波測試儀TM196，如表3。

2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗方法，得出各試驗點測量數(shù)據(jù)如表4。

根據(jù)前文介紹的極差分析法，分別對8組試驗所得數(shù)據(jù)進行極差分析，并將極差分析結(jié)果列于表5，同時為了更直觀地分析各因素對電磁輻射的影響，根據(jù)表5作出各因素對電磁輻射影響的直觀分析圖，如圖1。

從表5及圖1中比較不同因素極差值(Rj)，數(shù)值相差較為明顯（以表5中x軸方向極差值為例，ABC因素極差值依次為4.705、2.062 5、13.127 5）且不同軸方向垂直高度均為它們的顯著影響因素，方向、水平距離對電磁輻射的影響相對較弱，但以上3個因素（垂直高度、方向、水平距離）影響作用均在較強水平。在X、Z軸方向，A因素即方向?qū)﹄姶泡椛涞挠绊懘笥谒骄嚯x，但在Y軸方向與XYZ綜合情況下，B因素即水平距離對其影響較大，其次是方向。

表3 基站電磁波檢測儀指標(biāo)

表4 正交試驗結(jié)果（mW/m2）

表5 電磁輻射值極差分析

圖1 因素水平趨勢圖

由表5可以看出，不同軸方向最優(yōu)布設(shè)方案不同，對于方向因素A，其最優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)為：A4出現(xiàn)3次，A2出現(xiàn)1次，多數(shù)傾斜綜合考慮，A4為最優(yōu)水平。對于水平距離因素B，B1出現(xiàn)3次，B2出現(xiàn)1次，根據(jù)出現(xiàn)次數(shù)的頻率，B1為最優(yōu)水平。對于垂直高度因素C，不同軸方向結(jié)論一致，均為C2，因此C2為最優(yōu)水平。綜上所述，可以確定電磁輻射最小的空間位置為A4B1C2，即東方位、距離基站的水平距離為30 m、距離地面的垂直高度為3 m的空間位置處。

3 結(jié)論與建議

通過正交試驗設(shè)計以及對試驗結(jié)果進行極差分析得出以下結(jié)論及建議：

1）垂直高度為影響移動通信基站電磁輻射的主要因素，其次為方位和水平距離。

2）電磁輻射值最小的最優(yōu)布設(shè)方案為：東方位、距離基站的水平距離為30 m、距離地面的垂直高度為3 m的空間位置。

3）由于移動通信基站的電磁輻射值在特定的空間位置存在最小值，因此，基站選址時考慮垂直高度、所在方位以及與周圍建筑物的水平距離，特別是居民樓和人流較多的區(qū)域的距離，并根據(jù)基站輻射信號的區(qū)域范圍來選擇合理的基站類型。