TD-LTE移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境影響調(diào)查與分析

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 黃 清

近年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)從2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。截止到2015年2月，我國(guó)移動(dòng)電話用戶總數(shù)達(dá)到12.9億戶，其中4G用戶總數(shù)達(dá)到1.38億戶，在移動(dòng)電話用戶占比達(dá)到10.7%[1]。隨著4G混合組網(wǎng)時(shí)代的全面到來(lái)，我國(guó)將掀起新一輪 4G建網(wǎng)高潮。其中，中國(guó)移動(dòng)主導(dǎo)的TD-LTE制式4G基站在2014年底已經(jīng)達(dá)到65萬(wàn)個(gè)，預(yù)計(jì)2015年其4G基站總數(shù)將達(dá)到100萬(wàn)個(gè)。

移動(dòng)通信行業(yè)的迅速發(fā)展，也讓人們對(duì)移動(dòng)通信基站的電磁輻射問(wèn)題愈加關(guān)注。因此，有必要對(duì)目前正在快速建設(shè)的TD-LTE基站電磁輻射環(huán)境影響進(jìn)行分析，提高人們對(duì)基站電磁輻射問(wèn)題的正確認(rèn)識(shí)，促進(jìn)通信運(yùn)營(yíng)商和相關(guān)管理部門(mén)更合理地建設(shè)、管理基站。

1 TD-LTE技術(shù)特點(diǎn)

LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）是由3GPP 組織制定的UMTS 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM 和MIMO 作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。LTE 按照雙工方式可分為頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）兩種，分別稱為L(zhǎng)TE-FDD 和TD-LTE。

TD-LTE系統(tǒng)為滿足LTE對(duì)系統(tǒng)容量、性能指標(biāo)、傳輸時(shí)延、部署方式、業(yè)務(wù)質(zhì)量、復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及成本等方面的需求，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空口高層協(xié)議以及物理層關(guān)鍵技術(shù)方面作出了重要革新，體現(xiàn)在：

（1）接入網(wǎng)架構(gòu)方面，采用扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)接口，優(yōu)化網(wǎng)元間功能劃分。

（2）空口高層協(xié)議棧方面，通過(guò)簡(jiǎn)化信道映射方式和RRC協(xié)議狀態(tài)，優(yōu)化RRC的信令流程，降低了控制平面和用戶平面的時(shí)延；并針對(duì)分組數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過(guò)對(duì)資源分配和調(diào)度機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升了傳輸效率。

（3）空口物理層方面，支持可變傳輸帶寬，實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景下對(duì)帶寬的靈活配置；應(yīng)用基于OFDM的多址接入技術(shù)及其傳輸方式；引入先進(jìn)的多天線技術(shù)來(lái)提升系統(tǒng)容量；優(yōu)化和提升基于分組域數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸特點(diǎn)的物理層過(guò)程。

2 TD-LTE移動(dòng)通信基站電磁輻射執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

TD-LTE基站移動(dòng)通信網(wǎng)所用頻段為 2300MHz、2600MHz，根據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》[2](GB8702-2014)，在30～3000MHz的頻率范圍內(nèi)，公眾暴露控制限值為等效平面波功率密度0.4 W/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)》[3]（HJ/T10.3-1996），公眾總的受照射劑量包括各種電磁輻射對(duì)其影響的總和，即包括擬建設(shè)施可能或已經(jīng)造成的影響，還要包括已有背景電磁輻射的影響。為使公眾受到總照射劑量小于GB8702-2014的規(guī)定值，該導(dǎo)則對(duì)單個(gè)項(xiàng)目的電磁輻射影響設(shè)置了管理限值。對(duì)于移動(dòng)基站，通常取GB8702-2014規(guī)定的等效平面波功率密度限值的1/5作為環(huán)境管理目標(biāo)值，即0.08W/m2。

3 電磁輻射理論計(jì)算

3.1 計(jì)算模式及參數(shù)

根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》[4](HJ/T10.2-1996)，微波天線遠(yuǎn)場(chǎng)主瓣軸向功率密度計(jì)算式即該導(dǎo)則之(4.8)式，結(jié)合天線工程學(xué)中天線方向性函數(shù)，基站天線輻射功率密度S的計(jì)算公式為：

式中，P為天線的發(fā)射功率(W)；G為天線增益（倍數(shù)）；F(θ,φ)為預(yù)測(cè)點(diǎn)方向的天線歸一化方向性函數(shù)值，θ為垂直面上與天線軸向的夾角，φ為水平面上與天線軸向的夾角；r為預(yù)測(cè)點(diǎn)至發(fā)射天線中心點(diǎn)的距離(m)。

天線正前方（即φ=0°）的方位輻射強(qiáng)度最大，因此僅對(duì)φ=0°的方位進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

基站設(shè)備通道數(shù)為8通道，單通道的標(biāo)稱功率為5W/通道；天線設(shè)備長(zhǎng)度為1.2m，天線增益15dBi。

TD-LTE系統(tǒng)上下行時(shí)隙配比采用上下行轉(zhuǎn)換周期為5ms的“1上 3下”的配置方案，特殊子幀的 3個(gè)特殊時(shí)隙DwPTS、GP、UpPTS采用10、2、2的長(zhǎng)度配置方案，其中只有下行子幀和特殊時(shí)隙中的 DwPTS產(chǎn)生電磁輻射。因此實(shí)際產(chǎn)生電磁輻射的時(shí)間占比為：3/5+1/5×10/14=0.743=74.3%。

鑒于基站發(fā)射機(jī)工作時(shí)的實(shí)際發(fā)射功率是根據(jù)通信狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)的，同時(shí)為保證基站設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，實(shí)際環(huán)境中重疊覆蓋避免同頻干擾，基站發(fā)射機(jī)的總發(fā)射功率一般設(shè)定為不超過(guò)標(biāo)稱功率的40%。

基站設(shè)備天線與射頻模塊之間直徑1/2英寸的連接跳線(饋線)，跳線損耗及插入損耗至少為1dB。

綜上所述，天線發(fā)射功率為：

P=5W/通道×8通道×40%×74.3%×10-1dB/10=9.5W

TD-LTE基站天線計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 TD-LTE基站天線計(jì)算參數(shù)

3.2 理論計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)公式(1)和表1，計(jì)算天線正前方垂直面功率密度空間分布可知，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)移動(dòng)通信基站對(duì)環(huán)境的電磁輻射貢獻(xiàn)隨距離的增大而減小。對(duì)于單網(wǎng)架設(shè)的TD-LTE通信基站，在距離天線主瓣軸向17.2m 處或低于天線底部2.1 m處，電磁輻射功率密度值已衰減到單個(gè)移動(dòng)通信基站產(chǎn)生對(duì)環(huán)境電磁輻射場(chǎng)的貢獻(xiàn) 0.08 W/m2，不會(huì)對(duì)更遠(yuǎn)處的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)造成影響。

4 TD-LTE基站電磁輻射監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

本研究選取福州、泉州和寧德三市共 68個(gè)單網(wǎng)建設(shè)的TD-LTE基站。

4.2 監(jiān)測(cè)儀器

德國(guó)Narda公司生產(chǎn)的NBM-550型綜合場(chǎng)強(qiáng)儀，配備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（0.0001 W/m2）。

4.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選取方法

根據(jù)《移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法》[5]的規(guī)定，基站電磁輻射水平現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)先布設(shè)在公眾可以到達(dá)距離天線的最近處，原則上設(shè)在天線主瓣方向內(nèi)，針對(duì)基站的每個(gè)扇區(qū)。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)發(fā)射天線主瓣方向上不同距離、不同高度的室內(nèi)外及地面人群活動(dòng)場(chǎng)所（即敏感目標(biāo)），如居住、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研、行政辦公等為主要功能的區(qū)域。防護(hù)區(qū)內(nèi)如有敏感目標(biāo)，通過(guò)巡測(cè)找出輻射水平較高的測(cè)點(diǎn)，如無(wú)敏感目標(biāo)，在天線前方50 m內(nèi)選取代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)。點(diǎn)位選擇應(yīng)設(shè)法避免或盡量減少周圍偶發(fā)的其他輻射源的干擾。

4.4 監(jiān)測(cè)時(shí)間、頻次及環(huán)境條件

監(jiān)測(cè)時(shí)間選擇1天內(nèi)的8:00~18:00。天氣條件為無(wú)雪、無(wú)雨、無(wú)霧、無(wú)冰雹。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)5次電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定，每次測(cè)定時(shí)間不少于 15s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)下的最大值。

4.5 典型基站電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果

選取2個(gè)不同架設(shè)類型的基站作為典型基站，對(duì)其監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行具體分析。其中，1號(hào)基站以美化天線形式架設(shè)在某居民樓五樓樓上，天線掛高17米，在其天線主瓣方向21m處是一棟8層居民樓A號(hào)樓。2號(hào)基站以地面塔形式架設(shè)路邊，天線高28米，周邊100米范圍內(nèi)無(wú)敏感目標(biāo)。2個(gè)典型基站的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 典型TD-LTE基站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

續(xù)表2

由表2可知，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與天線垂直距離或水平的增加，等效平面波功率密度減小，其測(cè)值范圍為 0.0001～0.0069 W/m2，2個(gè)典型基站的電磁輻射測(cè)值均低于單個(gè)項(xiàng)目環(huán)境管理限值。

4.6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總分析

按照上文所述方法，對(duì)68個(gè)基站共380個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，形成功率密度測(cè)量值頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。由表3可知，80.89%的站點(diǎn)等效平面波功率密度小于0.0100 W/m2，97.06%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效平面波功率密度小于0.0400 W/m2，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)值均低于單個(gè)項(xiàng)目環(huán)境管理限值（0.08 W/m2）。

表3 TD-LTE基站功率密度測(cè)量值分布統(tǒng)計(jì)

5 實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)際監(jiān)測(cè)的380個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，與天線水平距離小于17.2m且垂直距離小于2.1m的測(cè)點(diǎn)共13個(gè)，這13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的等效平面波功率密度范圍為 0.0011~0.0614W/m2，均低于單個(gè)項(xiàng)目環(huán)境管理限值（0.08 W/m2）。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

上述模擬計(jì)算和對(duì)已運(yùn)行基站的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在選址合理的前提下，TD-LTE基站對(duì)周圍環(huán)境敏感目標(biāo)的電磁輻射環(huán)境影響較小，基站產(chǎn)生的電磁輻射能滿足單個(gè)項(xiàng)目貢獻(xiàn)管理限值（0.08 W/m2）的要求。

盡管本次調(diào)查的TD-LTE基站環(huán)境電磁輻射水平均符合要求，但從盡可能消除電磁輻射影響，讓更多公眾支持基站建設(shè)的角度，提出以下建議：

一方面，建設(shè)單位在新建基站規(guī)劃與選址中充分考慮環(huán)保要求，針對(duì)不同區(qū)域和保護(hù)目標(biāo)的分布特點(diǎn)，合理選擇基站位置及發(fā)射功率、載頻數(shù)、發(fā)射天線下傾角、架設(shè)高度、朝向等。

另一方面，建設(shè)單位應(yīng)及時(shí)向公眾公布環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，加大基站電磁輻射影響科普知識(shí)宣傳，消除公眾的不必要誤解和恐慌。

[1]工業(yè)和信息化部運(yùn)行監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)局.2015年2月份通信業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況[EB/OL].工信部網(wǎng)站

[2]電磁環(huán)境控制限值(GB 8702-2014) [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[3]國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.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/T 10.3-1996) [S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[4]國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器和方法(HJ/T 10.2-1996) [S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[5]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法(試行)[Z]，環(huán)發(fā)[2007]114號(hào).

[6]張海鷗，潘超，夏遠(yuǎn)芬，等 移動(dòng)通信基站電磁輻射時(shí)空分布及衰減特征[J].電力環(huán)境保護(hù)，2009，25(4)：57.