Small Cell家庭網關電磁輻射環保性能分析

熊金州

介紹了國內外電磁輻射標準以及Small Cell家庭網關和各種手機的發射功率，并通過理論計算證明Small Cell滿足我國電磁輻射指標要求。然后對比安裝Small Cell前后室內電磁功率密度，證明安裝Small Cell覆蓋后，室內電磁輻射的環保性能普遍得到改善。

Small Cell 電磁輻射 功率密度

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：B 文章編號：1006-1010（2014）-06-0094-03

1 前言

早期家庭型2G或3G小基站稱為Femtocell，2012年Femtocell論壇將小基站稱為Small Cell。Small Cell可將含GSM/CDMA/WCDMA/LTE中的一種或多種移動通信技術與WLAN（Wi-Fi）集成于一體，同時具備移動電話接入和互聯網接入功能。這種2G/3G/4G+WLAN的家庭網關（也稱多模小基站）安裝在用戶室內產生的電磁輻射是否滿足國家環保局的指標要求呢？下面將介紹國內外電磁輻射標準，并對室內安裝Small Cell后的電磁環境進行電磁輻射評估。

2 國內外電磁輻射標準

國內外電磁輻射標準對照表如表1所示。

電磁防護標準制定是以電磁波連續照射6分鐘使人體體溫上升0.5攝氏度為限值。美國標準是投票決定的，首先由標準院起草標準，并從各州選派100名各種職業人士包括工人、農民、醫生、工程師等為代表進行投票過半數通過。美國標準院做過實驗，挑選200只健康小白鼠分兩籠喂養，對其中一籠進行10倍標準的射頻大功率照射（即10×30W/m2的功率密度），在喂養人員并不知情的情況下，一年后受照射的100只小白鼠健康存活，而另一籠有3只死亡，對這一實驗結果該如何評估？美國標準院的實驗其功率密度（300W/m2）是相當于等效距離1m處用3 700W發射機或等效距離3m處用34 000W照射小白鼠。這一結果只能說明美國制定的功率密度標準要求還是太低，而中國電磁標準的嚴格程度可以與前蘇聯相媲美。從表1可以看出，中國環保局的標準是相當嚴格的，如從功率密度p的要求來看，與美國的國家標準院相比要高出30W/0.4W=75倍。本文選定的是中國國家環保局制定的標準。

3 Small Cell的發射功率

各種發射設備射頻功率如表2所示：

表2只列舉設備最大發射功率，而實際發射功率受系統控制。如GSM有30dB控制量，最小發射功率為0.25mW；CDMA或WCDMA手機有70dB控制量，最小的發射功率為0.01μW左右。下面計算Small Cell家庭網關、2G/3G手機在發射信號時的功率密度。

根據文獻[2]，電磁輻射的功率密度計算公式如下：

（1）

其中，SD為功率密度（單位為W/m2）；Pt為發射功率（單位為W）；R為距發射機距離（單位為m）；Gt為該方向上的增益，值為1，對應0dB。

Small Cell的發射功率Pt=0.02W，則根據公式（1），Small Cell家庭網關作為發射體，假定距離用戶接收處0.5m、1m進行功率密度計算：

當R=0.5m時，Pt=0.02W，則SD=0.006W/m2，小于輻射指標0.4/0.006=66倍。

當R=1m時，Pt=0.02W，則SD=0.002W/m2，小于輻射指標0.4/0.002=200倍。

2G（CDMA800）手機在弱覆蓋區（場強-88dBm）

打電話時，依據文獻[3]開環功率控制相關公式：手機發射功率=-73dB-（接收到的功率）=-73- （-88）=15dBm=30mW。假定手機距人耳R=0.01m，則功率密度為SD=24W/m2，大于中國輻射指標24/0.4=60倍，但能滿足美國國標30W/m2。

當室內信號越差時，由開環功率控制手機發射功率計算公式可知，手機發射功率越大，則手機產生的電磁輻射功率密度就越高。

由以上對比結果可知，Small Cell家庭網關滿足國標規范，而手機由于實際使用很靠近人耳，手機發射產生功率密度超國標。關于手機是否能用的問題，實際情況很復雜，用簡單功率密度計算可能不準確。有人建議采用電磁波平均比吸收率SAR來評估，但實際操作非常困難。依據文獻[4]，對于電磁輻射源的管理3.1.1條款規定“輸出功率等于和小于15W（瓦）的移動式無線電通信設備，如陸上、海上移動通訊設備及步話機等，可以免于管理”，從而取得豁免權。2G/3G手機終端均在豁免之列。

4 室內電磁輻射環境安全性討論

下面討論安裝Small Cell家庭網關前后室內電磁輻射水平對比情況。

安裝Small Cell家庭網關之前，信號源來自室外宏基站，射頻信號通過墻體產生較大穿透損耗，室內普遍存在信號弱覆蓋區。當手機發起呼叫時，功率較大且又緊靠人耳，輻射量超國標，如上文計算超標60倍，但滿足美國國標。

安裝Small Cell家庭網關之后，信號源來自本室內的家庭網關。上文已論證了家庭網關產生的輻射劑量比國標低66倍，這時還是要論證手機在此電磁環境下打電話是否滿足國標要求。

假定手機距離信號源Small Cell家庭網關1m、5m和10m處打電話進行安全性分析：

（1）假定手機在距離家庭網關（信號源）1m處信號場強為-50dBm（實測通常為-45～75dBm）打電話，手機發射上行功率為-73-（-50）=-23dBm=0.000 005W，SD=0.004W/m2，此處手機發射產生功率密度優于國標0.4/0.004=100倍。

（2）當手機距離家庭網關增至5m時，路徑損耗增加20lg（5/1）=14dB=25倍，此時手機的上行發射功率從-23dBm增加到-9dBm，同理可計算得到SD=0.1W/m2，

此處手機發射產生功率密度優于國標4倍。

（3）同理，當手機距離家庭網關從1m擴大到10m時，射頻信號的路徑損耗增加20lg（10/1）=20dB=100倍，手機發射功率從-23dBm增加到-3dBm，可計算得到SD=0.4W/m2，此處手機發射產生功率密度剛好滿足國標。

通過以上計算分析可知，室內增加家庭網關Small Cell覆蓋之后，所有射頻輻射設備在通話時都能滿足國標，且距離家庭網關越近，電磁輻射水平越低。室內安裝了家庭網關后，手機通話時發射功率普遍可以下降100倍（20dB）。同時還能提升通話質量，提高數據業務速率，并延長手機電池待機時間和使用壽命。

此外，隨著移動通信的迅速發展，用戶對網絡的要求越來越高。有越來越多的高端用戶投訴室內弱覆蓋引起的通話質量或速率不暢等問題，短時間內難以得到解決。根據文獻[5]，Small Cell通過接入用戶家庭寬帶提供服務，施工無破壞無噪音、難度低、建設周期短，并且用戶不用擔心輻射問題，可以快速解決高端用戶投訴問題。目前國內各大運營商都在積極試用和推廣Small Cell的使用，而且京信Nanocell產品實現了Small Cell與Wi-Fi的融合組網，對于3G/LTE網絡的建設可以與WLAN網絡的建設同步進行或者利用已有WLAN的網絡端口建設，完成熱點覆蓋和盲點覆蓋，具有良好的市場前景。

綜上所述，室內安裝Small Cell家庭網關之后，不僅電磁防護安全性較好，而且通信質量也得到大大提高，是解決用戶投訴便捷有效的手段。

參考文獻：

[1] 中國聯通公司. 中國聯通WCDMA Home NodeB網絡技術體制[Z]. 2009.

[2] 蘇華鴻，孫孺石，薛鋒章，等. 蜂窩移動通信射頻工程[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2007.

[3] 萬曉榆，萬敏，李怡濱. CDMA移動通信網絡優化[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2003.

[4] 國家環境保護局. GB8702-88 電磁輻射防護規定[S]. 1988.

[5] 李鐵軍，金瑞云. Femtocell技術優勢及與LTE結合探討[J]. 郵電設計技術， 2012（7）： 47-51.★endprint

介紹了國內外電磁輻射標準以及Small Cell家庭網關和各種手機的發射功率，并通過理論計算證明Small Cell滿足我國電磁輻射指標要求。然后對比安裝Small Cell前后室內電磁功率密度，證明安裝Small Cell覆蓋后，室內電磁輻射的環保性能普遍得到改善。

Small Cell 電磁輻射 功率密度

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：B 文章編號：1006-1010（2014）-06-0094-03

1 前言

早期家庭型2G或3G小基站稱為Femtocell，2012年Femtocell論壇將小基站稱為Small Cell。Small Cell可將含GSM/CDMA/WCDMA/LTE中的一種或多種移動通信技術與WLAN（Wi-Fi）集成于一體，同時具備移動電話接入和互聯網接入功能。這種2G/3G/4G+WLAN的家庭網關（也稱多模小基站）安裝在用戶室內產生的電磁輻射是否滿足國家環保局的指標要求呢？下面將介紹國內外電磁輻射標準，并對室內安裝Small Cell后的電磁環境進行電磁輻射評估。

2 國內外電磁輻射標準

國內外電磁輻射標準對照表如表1所示。

電磁防護標準制定是以電磁波連續照射6分鐘使人體體溫上升0.5攝氏度為限值。美國標準是投票決定的，首先由標準院起草標準，并從各州選派100名各種職業人士包括工人、農民、醫生、工程師等為代表進行投票過半數通過。美國標準院做過實驗，挑選200只健康小白鼠分兩籠喂養，對其中一籠進行10倍標準的射頻大功率照射（即10×30W/m2的功率密度），在喂養人員并不知情的情況下，一年后受照射的100只小白鼠健康存活，而另一籠有3只死亡，對這一實驗結果該如何評估？美國標準院的實驗其功率密度（300W/m2）是相當于等效距離1m處用3 700W發射機或等效距離3m處用34 000W照射小白鼠。這一結果只能說明美國制定的功率密度標準要求還是太低，而中國電磁標準的嚴格程度可以與前蘇聯相媲美。從表1可以看出，中國環保局的標準是相當嚴格的，如從功率密度p的要求來看，與美國的國家標準院相比要高出30W/0.4W=75倍。本文選定的是中國國家環保局制定的標準。

3 Small Cell的發射功率

各種發射設備射頻功率如表2所示：

表2只列舉設備最大發射功率，而實際發射功率受系統控制。如GSM有30dB控制量，最小發射功率為0.25mW；CDMA或WCDMA手機有70dB控制量，最小的發射功率為0.01μW左右。下面計算Small Cell家庭網關、2G/3G手機在發射信號時的功率密度。

根據文獻[2]，電磁輻射的功率密度計算公式如下：

（1）

其中，SD為功率密度（單位為W/m2）；Pt為發射功率（單位為W）；R為距發射機距離（單位為m）；Gt為該方向上的增益，值為1，對應0dB。

Small Cell的發射功率Pt=0.02W，則根據公式（1），Small Cell家庭網關作為發射體，假定距離用戶接收處0.5m、1m進行功率密度計算：

當R=0.5m時，Pt=0.02W，則SD=0.006W/m2，小于輻射指標0.4/0.006=66倍。

當R=1m時，Pt=0.02W，則SD=0.002W/m2，小于輻射指標0.4/0.002=200倍。

2G（CDMA800）手機在弱覆蓋區（場強-88dBm）

打電話時，依據文獻[3]開環功率控制相關公式：手機發射功率=-73dB-（接收到的功率）=-73- （-88）=15dBm=30mW。假定手機距人耳R=0.01m，則功率密度為SD=24W/m2，大于中國輻射指標24/0.4=60倍，但能滿足美國國標30W/m2。

當室內信號越差時，由開環功率控制手機發射功率計算公式可知，手機發射功率越大，則手機產生的電磁輻射功率密度就越高。

由以上對比結果可知，Small Cell家庭網關滿足國標規范，而手機由于實際使用很靠近人耳，手機發射產生功率密度超國標。關于手機是否能用的問題，實際情況很復雜，用簡單功率密度計算可能不準確。有人建議采用電磁波平均比吸收率SAR來評估，但實際操作非常困難。依據文獻[4]，對于電磁輻射源的管理3.1.1條款規定“輸出功率等于和小于15W（瓦）的移動式無線電通信設備，如陸上、海上移動通訊設備及步話機等，可以免于管理”，從而取得豁免權。2G/3G手機終端均在豁免之列。

4 室內電磁輻射環境安全性討論

下面討論安裝Small Cell家庭網關前后室內電磁輻射水平對比情況。

安裝Small Cell家庭網關之前，信號源來自室外宏基站，射頻信號通過墻體產生較大穿透損耗，室內普遍存在信號弱覆蓋區。當手機發起呼叫時，功率較大且又緊靠人耳，輻射量超國標，如上文計算超標60倍，但滿足美國國標。

安裝Small Cell家庭網關之后，信號源來自本室內的家庭網關。上文已論證了家庭網關產生的輻射劑量比國標低66倍，這時還是要論證手機在此電磁環境下打電話是否滿足國標要求。

假定手機距離信號源Small Cell家庭網關1m、5m和10m處打電話進行安全性分析：

（1）假定手機在距離家庭網關（信號源）1m處信號場強為-50dBm（實測通常為-45～75dBm）打電話，手機發射上行功率為-73-（-50）=-23dBm=0.000 005W，SD=0.004W/m2，此處手機發射產生功率密度優于國標0.4/0.004=100倍。

（2）當手機距離家庭網關增至5m時，路徑損耗增加20lg（5/1）=14dB=25倍，此時手機的上行發射功率從-23dBm增加到-9dBm，同理可計算得到SD=0.1W/m2，

此處手機發射產生功率密度優于國標4倍。

（3）同理，當手機距離家庭網關從1m擴大到10m時，射頻信號的路徑損耗增加20lg（10/1）=20dB=100倍，手機發射功率從-23dBm增加到-3dBm，可計算得到SD=0.4W/m2，此處手機發射產生功率密度剛好滿足國標。

通過以上計算分析可知，室內增加家庭網關Small Cell覆蓋之后，所有射頻輻射設備在通話時都能滿足國標，且距離家庭網關越近，電磁輻射水平越低。室內安裝了家庭網關后，手機通話時發射功率普遍可以下降100倍（20dB）。同時還能提升通話質量，提高數據業務速率，并延長手機電池待機時間和使用壽命。

此外，隨著移動通信的迅速發展，用戶對網絡的要求越來越高。有越來越多的高端用戶投訴室內弱覆蓋引起的通話質量或速率不暢等問題，短時間內難以得到解決。根據文獻[5]，Small Cell通過接入用戶家庭寬帶提供服務，施工無破壞無噪音、難度低、建設周期短，并且用戶不用擔心輻射問題，可以快速解決高端用戶投訴問題。目前國內各大運營商都在積極試用和推廣Small Cell的使用，而且京信Nanocell產品實現了Small Cell與Wi-Fi的融合組網，對于3G/LTE網絡的建設可以與WLAN網絡的建設同步進行或者利用已有WLAN的網絡端口建設，完成熱點覆蓋和盲點覆蓋，具有良好的市場前景。

綜上所述，室內安裝Small Cell家庭網關之后，不僅電磁防護安全性較好，而且通信質量也得到大大提高，是解決用戶投訴便捷有效的手段。

參考文獻：

[1] 中國聯通公司. 中國聯通WCDMA Home NodeB網絡技術體制[Z]. 2009.

[2] 蘇華鴻，孫孺石，薛鋒章，等. 蜂窩移動通信射頻工程[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2007.

[3] 萬曉榆，萬敏，李怡濱. CDMA移動通信網絡優化[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2003.

[4] 國家環境保護局. GB8702-88 電磁輻射防護規定[S]. 1988.

[5] 李鐵軍，金瑞云. Femtocell技術優勢及與LTE結合探討[J]. 郵電設計技術， 2012（7）： 47-51.★endprint

介紹了國內外電磁輻射標準以及Small Cell家庭網關和各種手機的發射功率，并通過理論計算證明Small Cell滿足我國電磁輻射指標要求。然后對比安裝Small Cell前后室內電磁功率密度，證明安裝Small Cell覆蓋后，室內電磁輻射的環保性能普遍得到改善。

Small Cell 電磁輻射 功率密度

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：B 文章編號：1006-1010（2014）-06-0094-03

1 前言

早期家庭型2G或3G小基站稱為Femtocell，2012年Femtocell論壇將小基站稱為Small Cell。Small Cell可將含GSM/CDMA/WCDMA/LTE中的一種或多種移動通信技術與WLAN（Wi-Fi）集成于一體，同時具備移動電話接入和互聯網接入功能。這種2G/3G/4G+WLAN的家庭網關（也稱多模小基站）安裝在用戶室內產生的電磁輻射是否滿足國家環保局的指標要求呢？下面將介紹國內外電磁輻射標準，并對室內安裝Small Cell后的電磁環境進行電磁輻射評估。

2 國內外電磁輻射標準

國內外電磁輻射標準對照表如表1所示。

電磁防護標準制定是以電磁波連續照射6分鐘使人體體溫上升0.5攝氏度為限值。美國標準是投票決定的，首先由標準院起草標準，并從各州選派100名各種職業人士包括工人、農民、醫生、工程師等為代表進行投票過半數通過。美國標準院做過實驗，挑選200只健康小白鼠分兩籠喂養，對其中一籠進行10倍標準的射頻大功率照射（即10×30W/m2的功率密度），在喂養人員并不知情的情況下，一年后受照射的100只小白鼠健康存活，而另一籠有3只死亡，對這一實驗結果該如何評估？美國標準院的實驗其功率密度（300W/m2）是相當于等效距離1m處用3 700W發射機或等效距離3m處用34 000W照射小白鼠。這一結果只能說明美國制定的功率密度標準要求還是太低，而中國電磁標準的嚴格程度可以與前蘇聯相媲美。從表1可以看出，中國環保局的標準是相當嚴格的，如從功率密度p的要求來看，與美國的國家標準院相比要高出30W/0.4W=75倍。本文選定的是中國國家環保局制定的標準。

3 Small Cell的發射功率

各種發射設備射頻功率如表2所示：

表2只列舉設備最大發射功率，而實際發射功率受系統控制。如GSM有30dB控制量，最小發射功率為0.25mW；CDMA或WCDMA手機有70dB控制量，最小的發射功率為0.01μW左右。下面計算Small Cell家庭網關、2G/3G手機在發射信號時的功率密度。

根據文獻[2]，電磁輻射的功率密度計算公式如下：

（1）

其中，SD為功率密度（單位為W/m2）；Pt為發射功率（單位為W）；R為距發射機距離（單位為m）；Gt為該方向上的增益，值為1，對應0dB。

Small Cell的發射功率Pt=0.02W，則根據公式（1），Small Cell家庭網關作為發射體，假定距離用戶接收處0.5m、1m進行功率密度計算：

當R=0.5m時，Pt=0.02W，則SD=0.006W/m2，小于輻射指標0.4/0.006=66倍。

當R=1m時，Pt=0.02W，則SD=0.002W/m2，小于輻射指標0.4/0.002=200倍。

2G（CDMA800）手機在弱覆蓋區（場強-88dBm）

打電話時，依據文獻[3]開環功率控制相關公式：手機發射功率=-73dB-（接收到的功率）=-73- （-88）=15dBm=30mW。假定手機距人耳R=0.01m，則功率密度為SD=24W/m2，大于中國輻射指標24/0.4=60倍，但能滿足美國國標30W/m2。

當室內信號越差時，由開環功率控制手機發射功率計算公式可知，手機發射功率越大，則手機產生的電磁輻射功率密度就越高。

由以上對比結果可知，Small Cell家庭網關滿足國標規范，而手機由于實際使用很靠近人耳，手機發射產生功率密度超國標。關于手機是否能用的問題，實際情況很復雜，用簡單功率密度計算可能不準確。有人建議采用電磁波平均比吸收率SAR來評估，但實際操作非常困難。依據文獻[4]，對于電磁輻射源的管理3.1.1條款規定“輸出功率等于和小于15W（瓦）的移動式無線電通信設備，如陸上、海上移動通訊設備及步話機等，可以免于管理”，從而取得豁免權。2G/3G手機終端均在豁免之列。

4 室內電磁輻射環境安全性討論

下面討論安裝Small Cell家庭網關前后室內電磁輻射水平對比情況。

安裝Small Cell家庭網關之前，信號源來自室外宏基站，射頻信號通過墻體產生較大穿透損耗，室內普遍存在信號弱覆蓋區。當手機發起呼叫時，功率較大且又緊靠人耳，輻射量超國標，如上文計算超標60倍，但滿足美國國標。

安裝Small Cell家庭網關之后，信號源來自本室內的家庭網關。上文已論證了家庭網關產生的輻射劑量比國標低66倍，這時還是要論證手機在此電磁環境下打電話是否滿足國標要求。

假定手機距離信號源Small Cell家庭網關1m、5m和10m處打電話進行安全性分析：

（1）假定手機在距離家庭網關（信號源）1m處信號場強為-50dBm（實測通常為-45～75dBm）打電話，手機發射上行功率為-73-（-50）=-23dBm=0.000 005W，SD=0.004W/m2，此處手機發射產生功率密度優于國標0.4/0.004=100倍。

（2）當手機距離家庭網關增至5m時，路徑損耗增加20lg（5/1）=14dB=25倍，此時手機的上行發射功率從-23dBm增加到-9dBm，同理可計算得到SD=0.1W/m2，

此處手機發射產生功率密度優于國標4倍。

（3）同理，當手機距離家庭網關從1m擴大到10m時，射頻信號的路徑損耗增加20lg（10/1）=20dB=100倍，手機發射功率從-23dBm增加到-3dBm，可計算得到SD=0.4W/m2，此處手機發射產生功率密度剛好滿足國標。

通過以上計算分析可知，室內增加家庭網關Small Cell覆蓋之后，所有射頻輻射設備在通話時都能滿足國標，且距離家庭網關越近，電磁輻射水平越低。室內安裝了家庭網關后，手機通話時發射功率普遍可以下降100倍（20dB）。同時還能提升通話質量，提高數據業務速率，并延長手機電池待機時間和使用壽命。

此外，隨著移動通信的迅速發展，用戶對網絡的要求越來越高。有越來越多的高端用戶投訴室內弱覆蓋引起的通話質量或速率不暢等問題，短時間內難以得到解決。根據文獻[5]，Small Cell通過接入用戶家庭寬帶提供服務，施工無破壞無噪音、難度低、建設周期短，并且用戶不用擔心輻射問題，可以快速解決高端用戶投訴問題。目前國內各大運營商都在積極試用和推廣Small Cell的使用，而且京信Nanocell產品實現了Small Cell與Wi-Fi的融合組網，對于3G/LTE網絡的建設可以與WLAN網絡的建設同步進行或者利用已有WLAN的網絡端口建設，完成熱點覆蓋和盲點覆蓋，具有良好的市場前景。

綜上所述，室內安裝Small Cell家庭網關之后，不僅電磁防護安全性較好，而且通信質量也得到大大提高，是解決用戶投訴便捷有效的手段。

參考文獻：

[1] 中國聯通公司. 中國聯通WCDMA Home NodeB網絡技術體制[Z]. 2009.

[2] 蘇華鴻，孫孺石，薛鋒章，等. 蜂窩移動通信射頻工程[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2007.

[3] 萬曉榆，萬敏，李怡濱. CDMA移動通信網絡優化[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2003.

[4] 國家環境保護局. GB8702-88 電磁輻射防護規定[S]. 1988.

[5] 李鐵軍，金瑞云. Femtocell技術優勢及與LTE結合探討[J]. 郵電設計技術， 2012（7）： 47-51.★endprint