移動基站遠場區功率密度分布和規劃控制距離

翟國慶,周 兵,賈 麗,曹 勇,楊維耿(.浙江大學環境污染控制技術研究所,浙江 杭州 3008；.浙江省輻射環境監測站,浙江 杭州 300)

移動基站遠場區功率密度分布和規劃控制距離

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

為掌握畸變條件下移動通訊基站周圍功率密度分布,合理確定其規劃控制距離,在杭州市主城區選取具有不同網絡類型和載波數的2057個移動基站,實測話務高峰期基站周圍射頻場功率密度.結果表明,畸變條件下GSM基站遠場區功率密度S∝r-1.83(非畸變條件下S∝r-2),決定系數R2=0.80;距基站天線20m內,約85.91%測點功率密度實測值小于非畸變條件下依據天線標稱功率和增益計算的理論值.,頻數統計結果表明,距天線1～15m范圍內,運營商A所屬基站S10值(表示有10%的測點功率密度高于該值)比運營商B高10.00%;距天線1～30m內,雙網和三網共站基站S10值分別比單網基站高50.31%和57.10%.移動通訊基站規劃控制距離以15m為宜,15m外測點功率密度值超過8μW/cm2的基站只占所測基站的0.11%.

移動通訊基站；畸變場；功率密度；衰減模式；規劃控制距離

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,我國手機使用量已居世界首位,移動通訊基站數量和密度近年來增長較快.為防止頻率復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會增加;基站發射機功率也隨之降低,基站與基站之間的距離逐漸減小,可能造成多個基站之間場強和功率密度疊加[1].手機及通訊基站所輻射的電磁波對人體健康的影響備受關注.一般來說,過量超強度的電磁輻射對人體造成急性損害的情況比較少見,但有文獻報道低強度、長期慢性積累的電磁輻射暴露,可能對人體的中樞神經系統、心血管系統、生殖系統以及機體免疫功能等造成多方面的損害[2-3].因此,調查實際環境中移動通訊基站周圍射頻場分布,建立畸變條件下移動基站功率密度經驗預測模式,并對基站提出合理的規劃控制距離要求具有重要的現實意義.通常所提防護距離為與基站地面投影的水平距離要求,而本文所指規劃控制距離指公眾可進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2008年底前建成投運的具有不同網絡類型和載波數的2057個移動通訊基站,實測話務高峰期基站周圍射頻場功率密度.根據938個GSM移動通訊基站周圍測點功率密度實測值,通過數據擬合,建立了畸變條件下GSM基站遠場區功率密度隨距離衰減的關系式.同時對2057個移動通訊基站話務高峰期周圍功率密度實測值進行統計分析,并結合目前我國移動通訊基站的發展趨勢和電磁輻射特性,合理確定通訊基站的規劃控制距離.

1 研究方法

1.1畸變條件下移動通訊基站功率密度衰減模式研究

移動通訊基站輻射的射頻電磁波屬于微波(300MHz-300GHz)頻段,我國《輻射環境保護管理導則-電磁輻射監測儀器和方法》(HJ/T10.2-1996)中給出了微波頻段功率密度遠場軸向預測模式[4].在不考慮畸變情況下,可采用上述模式預測計算移動基站遠場區功率密度分布,但實際移動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GSM移動通訊基站周圍射頻場功率密度進行實測基礎上,通過數據擬合,建立畸變條件下GSM基站遠場區功率密度隨距離衰減的關系式.

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

1.2移動通訊基站防護距離研究

我國2008年底前建成投運的移動通訊基站網絡類型和載波數主要有如下3種:GSM900/ DCS1800/CDMA單網;GSM900與CDMA共站;GSM900、DCS1800與CDMA共站.隨機選取2057個基站(單網、雙網共站和三網共站基站數分別為1152、486和419),實測基站附近遠場區功率密度值,采用SPSS統計分析軟件,按測點與基站天線之間的直線距離范圍,對3種類型基站遠場區功率密度實測值進行統計分析.

我國《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)規定,通訊基站輻射的電磁波頻率范圍內,24h中環境電磁輻射場的場量參數在任意連續6min內,平均值應滿足功率密度低于0.4W/cm2的要求,對單個基站一般取功率密度限值的1/5即8μW/cm2作為公眾照射標準限值進行控制[5].為此,根據對基站遠場區功率密度大量實測值的統計分析結果,比照單個基站周圍公眾照射功率密度值控制要求,確定移動通訊基站規劃控制距離.

2 結果與討論

2.1畸變條件下移動通訊基站功率密度衰減模式

GSM移動通訊基站周圍功率密度理論值和實測值對比見圖1.結果表明,功率密度理論值和實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,實測值大于理論值的測點數約占總測點數的34.92%,其中距天線1～15m范圍內測點占9.09%,15～20m范圍內測點占5.00%.

根據實測數據,擬合建立畸變條件下GSM基站遠場區功率密度隨距離衰減的關系式為

圖1 GSM移動通訊基站周圍功率密度理論值和實測值分布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為基站天線與測點之間直線距離,m;P為雷達發射機平均功率,W;G為天線增益,倍數.通信基站符合《環境電磁波衛生標準》(GB9175-88)中一級標準的室外安全防護距離理論值為14.3m,符合二級標準的防護距離為7.1m[7];另有研究者對遼寧省2781個移動通訊基站進行研究,提出符合《電磁輻射防護規定》中公眾暴露限值的1/5(8μW/cm2)的防護距離范圍為12～38m[8];還有研究認為,在極端情況(所有發射均為滿功率,無阻擋物,正對天線主瓣方向)下,防護距離不超過30m[9].參考以上研究結果及單個基站周圍公眾照射功率密度值的控制要求,根據表1所給出的大量基站附近功率密度統計分析結果,以統計值S10作為參考量,移動通訊基站規劃控制距離以15m為宜.

圖2 不同類型基站遠場區功率密度統計值Fig.2 Far-field statistical power density values of various base stations

2.2移動通訊基站防護距離

對具有不同網絡類型和載波數的基站,距天線不同距離范圍內測點功率密度統計分析結果見圖2.圖2中S10、S50、S90分別表示有10%、50%、90%的測點功率密度值高于該值.由圖2可知,話務高峰期具有不同網絡類型和載波數的移動通訊基站周圍功率密度呈現一定變化規律.距天線1～30m范圍內,雙網和三網共站基站附近S10值分別高于單網基站50.31%和57.10%;距天線1～60m范圍內,雙網和三網共站基站S10分別高于單網基站54.55%和110.10%;距天線0～90m范圍內,雙網和三網共網基站S10分別高于單網基站28.79%和110.61%.可見,具有不同網絡類型和載波數的通訊基站遠場區功率密度統計結果存在一定差異.為確定移動通訊基站規劃控制距離,基站網絡類型和載波數的影響不容忽視.

有研究者通過對我國部分省市的移動通訊基站電磁污染現狀的普查,提出了相應的防護距離要求,如湖南省有研究者提出的防護距離為20m[6];廣東省有研究者提出在天線處于發射最大功率狀態時,900MHz和1800MHz頻段的移動通信基站符合《環境電磁波衛生標準》(GB9175-88)中一級標準的室外安全防護距離理論值為14.3m,符合二級標準的防護距離為7.1m[7];另有研究者對遼寧省2781 個移動通訊基站進行研究,提出符合《電磁輻射防護規定》中公眾暴露限值的1/5(8μW/cm2)的防護距離范圍為12～38m[8];還有研究認為,在極端情況(所有發射均為滿功率,無阻擋物,正對天線主瓣方向)下,防護距離不超過30m[9].參考以上研究結果及單個基站周圍公眾照射功率密度值的控制要求,根據表1 所給出的大量基站附近功率密度統計分析結果,以統計值S10 作為參考量,移動通訊基站規劃控制距離以15m 為宜.

圖2 不同類型基站遠場區功率密度統計值Fig.2 Far-field statistical power density values of various base stations

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

因此公眾可到達區域距天線的直線距離一般都大于15m,將該值作為基站規劃控制距離實施起來也較為可行.統計結果顯示,在調查測量的2057個基站中,距天線15m外,只有約0.11%的基站功率密度測量值會超過8μW/cm2.這部分基站完全可以通過降低發射功率、調整天線主瓣方向、適當增加天線高度等措施達到這一要求[11].而且,隨著我國3G等新一代移動通訊技術的發展,基站建設呈現單個基站發射功率減小、分布密度增大趨勢,今后該規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計結果(μW/cm2)Table 1 Statistical analysis results of power density values around base stations(μW/cm2)

3 結論

3.1畸變條件下GSM基站遠場區功率密度S∝r-1.83(非畸變條件下S∝r-2),R2=0.80;距基站天線20m內,約85.91%測點功率密度實測值小于非畸變條件下依據天線標稱功率和增益計算的理論值.

3.2頻數統計結果表明,距移動通訊基站天線1～5m內,各測點功率密度統計值S10高于8μW/cm2,其余范圍內S10值均低于8μW/cm2.距天線1～15m內,運營商A所屬基站S10值比運營商B高10.00%.距天線1～30m內,雙網和三網共站基站S10值分別比單網基站高50.31%和57.10%.

3.3單個基站功率密度貢獻值按8μW/cm2進行控制情況下,移動通訊基站規劃控制距離以15m為宜,15m外功率密度值出現超過8μW/cm2的基站約占總基站的0.11%,采取一般技術措施后這些基站15m外測點功率密度值完全可以控制在8μW/cm2以下.區別于一般“防護距離”概念,對移動通訊基站實施“規劃控制距離”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,主要從事環境物理方面的教學和科研工作.發表論文30余篇.

2010-01-17

國家環境保護總局核與輻射安全2007年項目計劃(調查0705)

* 責任作者, 副教授, dgq@zju.edu.cn