TD-SCDMA系統電磁環境影響綜合研究

林堅立，章 瑩，田 勇

（中國移動通信集團廣東有限公司深圳分公司 深圳 518048）

1 引言

3G時代到來，TD-SCDMA成為中國惟一具有自主知識產權的3G標準，中國移動承擔了建設重任，率先在全國鋪開大規模TD-SCDMA網絡的建設。隨著人們健康意識與環境保護意識的日益增強，TD-SCDMA基站曾因天線大、饋線多、功放多等因素，電磁輻射問題一度備受關注，投訴與糾紛日益增多。為此，通過對TD-SCDMA系統電磁輻射環境影響進行研究，結合國家電磁輻射防護標準計算安全的防護距離，將有助于合理預防輻射污染，對群眾進行正確引導。

2 TD-SCDMA防護距離的計算

2.1 防護距離描述

防護距離是指為了滿足我國電磁輻射防護規定的公眾照射限值要求，并符合相關電磁輻射管理規定，空間某一點必須離開輻射源天線的最小隔離距離，如圖1所示。

由于天線具有方向性，因此在天線的不同方向防護距離不同，這里主要考慮兩個方向的防護距離，分別是水平防護距離和垂直防護距離。由于天線的下傾角一般很?。?0°左右），為簡化起見，水平防護距離可認為是天線最大輻射方向上的防護距離。在水平方向上，還需考慮天線水平波瓣寬度的影響。垂直防護距離主要考慮電磁輻射對人所易至區域的影響，是指天線正下方區域滿足相關電磁輻射限值要求的最小距離。

2.2 選取計算模型

電磁場場量參數（電場強度、磁場強度、功率密度等）的計算有多種方法，實際應用中根據所需的精確性及可獲取的輻射源天線的參數情況，通常可采用三種模型進行理論上的計算：全波（Full-wave）模型、綜合（Synthetic）模型和點源（Point Source）模型。

全波模型采用基于解Maxwell方程的數值計算方法，包括矩量法（MoM）和時域有限差分法（FDTD）等，這種模型的優點是精確性高，可應用于電磁場的各個場區，但由于需要進行精確建模，復雜性高，計算量大。

綜合模型的基本思想是將輻射源天線看成是由多個相同單元小天線片組成的。空間某一點的電磁場強度可以按如下方法計算：各個小天線片作為獨立的信號源，求其矢量和。這種方法可以提高近場區計算的精確性，但其缺點是應用中很難獲取每一個單元天線的準確參數。

點源模型不考慮發射天線的尺寸，將發射天線看成是一個點源，該點源位于實際天線的中心，并且具有與該天線相同的輻射模式（方向性）。點源模型是一種簡單而有效的計算模型，通常比較適合于遠場區域，在近場區域由于天線的尺寸不能忽略因而會導致計算結果與實際偏差較大。根據ITU-T K.70的建議，對于電磁輻射水平的計算，該模型除了在遠場區能達到很好的精度外，在輻射近場區的一部分，也能達到較好的計算結果。具體來說，該模型的適用范圍如下：

其中，r表示空間某點到點源的距離，D表示天線最大尺寸，λ表示波長。在自由空間傳播條件下，天線口等效輻射功率與功率密度的關系為：

其中：P是天線口等效輻射功率，單位為W；r為監測點到天線的距離，單位為m。

由此可得：

由于在基站周圍存在著大量的反射物體以及測量點附近受到來自地面反射波的影響，因此一般情況下使用自由空間傳播模型與實際的測量結果會有一定的差別，但是在遠離地面的空中并且與天線的距離不太遠的情況下，如果周圍沒有明顯的反射物，可以使用自由空間傳播模型進行計算。

2.3 輻射限值（S取值）

我國現行電磁輻射防護標準 《電磁輻射防護規定》（GB 8702-88），在移動通信所在頻段 30～3 000 MHz，對于公眾限值給出了總量上的規定：在一天24 h內，環境電磁輻射場的場量參數在任意連續6 min內的平均值應小于40 μW/cm2，這是在該頻段上可以接受的防護水平的上限，包括在該頻段上各種可能的電磁輻射的總量值。

根據國家環保總局《輻射環境保護管理導則—電磁輻射環境影響評價方法與標準》（HJ/T 10.3-1996），為使公眾受到總照射劑量小于GB8702-88的規定值，對于一般的電磁輻射項目的管理，應以GB8702-88中功率密度限值的1/5作為評價標準，因此對于移動通信系統，管理目標值為 8 μW/cm2，即式（2）中 S 取 8 μW/cm2。

2.4 等效輻射功率（P取值）

TD-SCDMA基站天線口等效輻射功率（ERP）的核算需要考慮的因素有：信源輸出功率、饋纜損耗、天線增益、多載波配置。

（1）信源輸出功率

TD-SCDMA基站的射頻輸出功率由其室外單元（RRU或室外功放）決定。目前大多數TD-SCDMA基站設備室外單元每通道標稱發射功率分別為2 W和1 W。最大配置情況下，每個小區共8個通道，因此，考慮最惡劣情況，總的最大輸出功率為16 W（42 dBm）。

由于TD-SCDMA采用TDD雙工方式，即基站的接收和發射是通過時間來區分的，一部分時間只用于接收，一部分時間僅用于發射，因此相對于頻分雙工（FDD）系統，可以獲得更低的平均功率，下面將結合TD-SCDMA的物理幀結構，對TD-SCDMA基站系統的實際平均發射功率進行核算。

①TD-SCDMA幀結構

TD-SCDMA幀結構如圖2所示。

3GPP定義的一個TDMA幀長度為10 ms。TD-SCDMA系統為了實現快速功率控制和定時提前校準以及對一些新技術的支持（如智能天線、上行同步等），將一個10 ms的幀分成兩個結構完全相同的子幀，每個子幀的時長為5 ms。每一個子幀又分成長度為675 μs的7個常規時隙（TS0～TS6）和 3 個特殊時隙：DwPTS（下行導頻時隙）、GP（保護間隔）和UpPTS（上行導頻時隙）。常規時隙用作傳送用戶數據或控制信息。

②時隙結構

TD-SCDMA系統共定義了4種時隙類型，它們是DwPTS、UpPTS、GP 和 TS0～TS6。其中 DwPTS和 UpPTS分別用作上行同步和下行同步，不承載用戶數據，GP用作上行同步建立過程中的傳播時延保護，TS0～TS6用于承載用戶數據或控制信息。

DwPTS的時隙結構如圖3所示。

每個子幀中的DwPTS由基站以最大功率在全方向或某一扇區上發射。這個時隙通常是由長為64 chip的SYNC_DL和32 chip的保護碼間隔組成。

UpPTS的時隙結構如圖4所示。

每個子幀中的UpPTS是為上行同步而設計的，當UE處于空中登記和隨機接入狀態時，它將首先發射UpPTS，當得到網絡的應答后，發送RACH。這個時隙通常由長為128 chip的SYNC_UL和32 chip的保護間隔組成。

常規時隙結構如圖5所示。

保護時隙或保護域：GP是為避免UpPTS和DwPTS間干擾而設置的，該區域不發射信號。

③平均發射功率

根據以上對TD-SCDMA幀結構的剖析，可以核算出其多時隙平均發射功率。當沒有業務的情況下，只有在TS0時隙的廣播信道和DwPTS發射信號，則整個幀周期內，廣播信道與導頻信道發射信號的時間比例如下：

當上下行業務時隙按3∶3配置時，業務信道的發射時間比例為：

同樣可以計算出當上下行時隙配置為2∶4和1∶5時，業務信道的發射時間比例分別為0.53和0.6625。

因此，對于TD-SCDMA室外宏基站，當上下行業務時隙配置為 3∶3、2∶4和 1∶5時，其實際最大發射功率分別為39.4 dBm、40.3 dBm和41.1 dBm。對于每個業務時隙，由于系統功率控制及業務負荷的原因，一般不可能以滿功率發射，因此實際平均功率還會進一步降低。

（2）饋纜損耗

由于TD-SCDMA基站室外靠近天線安裝，故饋纜損耗僅計算從RRU的輸出到天線的輸入這一段跳線，通常取為1 dB。

（3）天線增益

TD-SCDMA基站由于采用了智能天線，對不同的信道將表現出不同的增益。就下行信道來說，下行廣播信道由于信號全扇區覆蓋，天線增益不需考慮賦形增益；對于下行業務信道，當承載64 kbit/s以上速率的數據業務時，存在賦形增益；當承載語音業務時，其賦形增益受小區負載、用戶位置分布的影響，當小區負載高且用戶集中分布時，賦形增益較大。

8陣元定向智能天線的單元天線增益為15 dBi，賦形增益理論上最大為9 dBi，由于環境的復雜性，實際測試為6～7 dB。因此最惡劣情況下，8陣元定向智能天線的綜合增益最大可達22 dBi。

（4）多載波

TD-SCDMA基站功放共享，因此在配置多載波的情況下，其最大輸出功率不變，仍然為每通道2 W。

（5）TD-SCDMA 宏基站 ERP核算

TD-SCDMA宏基站ERP核算需要將廣播信道與業務信道分別考慮，然后在幀周期內取加權平均求和，根據前面說明，可得TD-SCDMA系統宏基站天線口等效輻射功率核算如表1所示。在TD-SCDMA系統中，考慮CS64 kbit/s視頻業務得到廣泛應用的情況下，激活因子取1。

表1 TD-SCDMA宏基站ERP核算參數

從表1核算結果可見，當采用定向智能天線時，考慮輻射影響最惡劣的情況，即信源以最大功率發射，在天線最大輻射方向（主瓣方向）上，TD-SCDMA系統宏基站的天線口ERP為61.4 dBm。其他方向上的ERP與具體使用的天線有關，由天線方向性函數決定，但都比該ERP值小。

2.5 防護距離與ERP的關系

根據式（2），當 S=8 μW／cm2時，可以得到防護距離與天線口等效輻射功率的關系，如圖6所示。可以看出，防護距離隨天線口ERP的增大而增大，但其增長速度比功率的增長要緩慢得多。

2.6 水平防護距離

當ERP取值為61.4 dBm（相當于1 392 W）時，得到天線最大輻射方向上的水平防護距離為37.2 m。

2.7 垂直防護距離

實際基站天線的垂直波瓣寬度一般在7°～15°，天線的傾角一般也很?。?0°以下），因此在地面或者樓頂上，離天線較近時，通常只受垂直方向副瓣的覆蓋。離天線安裝位置較近時，如與垂直方向夾角30°范圍內，對于低增益天線，副瓣比主瓣最大增益至少低20 dB，當采用中高增益天線時，垂直方向的副瓣增益進一步降低，副瓣比主瓣最大增益將低25 dB，因而地面或者樓頂平臺上的電磁輻射強度比理論計算的最大方向要小得多，以副瓣增益比主瓣低25 dB進行核算，計算得出TD-SCDMA宏蜂窩基站垂直防護距離為2.1 m。

3 TD-SCDMA系統話務波動對電磁輻射的影響

基站的話務負荷反映了對基站信道資源的占用情況，一定呼損（GoS）下的話務負荷與信道資源之間通常采用Erlang B公式。假定基站在基本信道單元（對于GSM系統是時隙，對于TD-SCDMA系統是碼道）上的發射功率是不變的，那么從平均功率的角度來看，小區的輻射功率與信道占用情況成正相關關系，即占用的信道單元越多，電磁輻射功率越大。通過信道資源的占用情況可以把話務負荷與小區輻射功率聯系起來，如圖7所示。

在TD-SCDMA系統中，對于每一個常規時隙，它又有16個碼道，因為TD-SCDMA系統是TDMA和CDMA混合接入系統。對于語音業務，一個用戶需要占用兩個碼道，也就是說一個常規下行時隙最多能同時容納8個語音用戶，即一個常規下行時隙有8個信道。在TD-SCDMA網絡規劃中，為避免擴展載波導致覆蓋范圍的收縮，以3載波進行規劃，并且3載波共享發射功率。

以下分兩個極端的情況分別估算小區單載波配置時的發射功率，其中N為載波數，此處為1；M為業務信道數。

①單載波（單通道最大功率2 W），當沒有業務的情況下，只有TS0時隙的廣播信道和DwPTS發射，則整個幀周期內，發射信號的時間比例如下：

這樣，RRU每通道最大功率為2 W，則當沒有業務的情況下，實際的每通道平均發射功率為：

（Pav）min=2×0.1425=0.285（W）=24.5（dBm）

②單載波（單通道最大功率 2 W），考慮 3個上行、3個下行時隙配置，下行時隙都被占用，則整個幀周期內，發射信號的時間比例如下：

這樣，由于每通道最大功率按2 W計算，則實際的每通道輸出功率為：

（Pav）max=（Pav）min+2×0.4075=1.1（W）=30.4（dBm）

因此，單載頻配置下的基站發射功率波動范圍為0.285～1.1 W，用dBm表示為24.5～30.4 dBm，假設天線增益為G，那么天線發射功率的波動范圍為（24.5+G）～（30.4+G）dBm，可見對于離基站天線一定距離的特定位置，在單載頻配置下的電磁輻射功率密度的波動范圍在6 dB以內。

根據上節分析的話務量與信道資源的占用關系，可以得到小區單載頻時話務量與RRU單通道平均功率之間的曲線關系，如圖8所示。

對于最大配置S3/3/3下的某一基站，其每個小區有3個載頻，以下分兩個極端的情況分別估算小區發射功率，其中N為載頻數，此處為3，M為信道數。

①3個載波，N=3，M=1，一般采用N頻點技術，沒有業務時，只第一個載波的TS0在發送廣播信息，其他時隙均空閑，則：

（Pav）min=2×0.1425=0.285（W）=24.5（dBm）②3 個載波，N=3，M=24（業務信道數），上下行各配置3個業務時隙，并且下行時隙全部被占用，則：

（Pav）max＝（Pav）min+2/3×0.4075×N=1.1（W）=30.4（dBm）

根據話務量與信道資源占用關系，可以得到小區3載頻配置時話務量與RRU單通道平均功率之間的曲線關系，如圖9所示。

4 TD-SCDMA信道設置對電磁輻射的影響

4.1 信道功率配比原則

為降低電磁輻射，TD-SCDMA無線信道的功率配置應遵循以下原則。

·上下行鏈路覆蓋平衡。TD-SCDMA系統上行覆蓋主要受限于功率，下行覆蓋主要受限于功率和容量?？偟膩碚f，TD-SCDMA是一個上行覆蓋受限的系統。因此，下行鏈路上業務信道和公共信道的發射功率可以適當降低，實現上下行鏈路的覆蓋平衡，這樣可以盡可能減少干擾。

·業務信道和公共信道間覆蓋平衡。一般情況下，兩者中主要是業務信道覆蓋受限。但是對于某些業務，公共信道覆蓋也可能成為受限因素。由于很難實現不同業務的覆蓋一致，因此主要根據覆蓋目標區域的基本業務進行公共信道的功率調整，實現公共信道和目標業務信道的覆蓋一致即可。

·公共信道間覆蓋平衡。目前，系統中默認公共信道按照其占用的碼道數來分配TS0時隙的功率。但是這樣的分配機制并不能保證各個公共信道的覆蓋半徑趨于一致?？梢愿鶕鱾€公共信道的實際情況（主要是指相對于PCCPCH信道的覆蓋半徑偏差度），靈活地設置各個公共信道的傳輸功率（即相對于PCCPCH功率的偏移），實現所有公共信道的覆蓋半徑一致。

TD-SCDMA系統是一個CDMA系統，因此，對于某個信道來說，應該按照恰好滿足其要求的最低功率進行發射才是最優的，這樣可以盡可能降低干擾，節約功率資源，提高系統容量。

4.2 信道功率配比建議

由于密集市區/一般市區/郊區/鄉村不同覆蓋場景中，無線網絡覆蓋均受限于上行CS64 kbit/s業務，相對于業務信道，PCCPCH信道一般不會成為覆蓋受限因素，但是其他公共信道，尤其如FACH信道，會成為覆蓋受限因素，因此無線網絡規劃中，同樣需要考察公共信道的鏈路預算，實現業務信道和公共信道的覆蓋平衡。

針對TD-SCDMA無線網絡公共信道功率配比，建議流程如下。

（1）根據實際測試，確定目標區域覆蓋受限業務的最大允許路損。

（2）根據受限業務的最大允許路損，確定PCCPCH信道的最大允許路損，并由此確定PCCPCH信道的功率配比值。

（3）根據表 2，確定其他公共信道相對于 PCCPCH信道的功率偏置配比建議。表2中各個下行公共信道發送功率定義在天線連接器，即機頂功率。

需要根據不同的覆蓋場景的實際情況，合理地設置PCCPCH信道功率的大小。不同覆蓋場景下，業務信道的覆蓋半徑需求是不同的。例如，密集市區主要問題在于容量而不是覆蓋，此時可以適當降低業務信道發送功率，收縮業務覆蓋半徑，相應地可以降低公共信道的功率配比值。另外，也需要根據網絡的不同發展階段對下行公共信道功率的配置進行調整。在建網初期，主要問題是提高覆蓋范圍，此時需要設置較大的公共信道發射功率，可以通過設置較大的PCCPCH信道功率實現，其他公共信道的功率偏置無需變化調整。在網絡成熟階段，主要問題是容量問題，尤其是市區，此時需要收縮覆蓋半徑，同樣可以通過設置較小的PCCPCH功率實現，其他公共信道功率偏置無需調整。

由于TD-SCDMA公共信道PCCPCH不存在功率控制，不進行智能天線波束賦形，因此要根據實際網絡情況進行合理的功率配比設置，否則有可能以最大功率發射，不但增大系統干擾，影響網絡容量與質量，還會增加對電磁環境的輻射。TD-SCDMA業務信道功率的配比與優化設置也同樣重要，即在滿足業務質量的前提下，盡量降低發射功率。

表2 TD-SCDMA公共信道功率配比建議值

5 結束語

綜上分析，以國家《電磁輻射防護規定》中8 μW／cm2作為電磁輻射管理目標標準，TD-SCDMA基站天線主瓣方向上水平防護距離約為37.2 m，垂直防護距離約為2.1 m。在同一防護距離下，隨著負載的增加，話務量增大，輻射功率密度逐漸增大。但即使在高負載時，在主瓣方向距離天線37 m的水平防護距離下，其電磁輻射水平遠小于環境管理目標值8 μW/cm2。在實際網絡運營中，將公共信道進行合理配比，對業務信道功率參數進行動態調整，提高網絡質量的同時，將會有效降低TD-SCDMA系統電磁輻射對環境的影響。

1 GB 8702-88.電磁輻射防護規定.國家環保總局，1989

2 HJ/T 10.3-1996.輻射環境保護管理導則—電磁輻射環境影響評價方法與標準.國家環?？偩郑?996

3 關于印發《移動通信基站電磁輻射環境監測方法》（試行）的通知.國家環境保護總局，信息產業部，2007

4 3GPP TS 25.102.User equipment(UE)radio transmission and reception(TDD)

5 3GPP TR25.814V0.5.0.Physical layer aspects for EUTRA

6 3GPPTR25.813V0.1.0.EUTRA and EUTRAN radio interface protocol aspects