2018各种地面条件TD-SCDMA基站电磁辐射

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　　摘要：本文从分析TD-SCDMA基站工作原理及其无线电传播特性，着重研究探讨在不同地面环境条件下TD-SCDMA基站周围电磁辐射的空间分布特性。研究表明，在林地、草地、及水泥等三种地面条件下，林地的吸收的电磁辐射最大，其次是草地，而水泥地面对电磁波的衰减作用最小。
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　　 关键词：TD-SCDMA基站 各种地面条件 电磁辐射一、
　　
　　分类号：P427.35 文献标识码：A-E文章编号：2095-2104（2011）12-094―01
　　
　　 前言
　　 随着人们生活水平的不断提高，对移动通信质量和服务内容要求不断提高，我国移动通信网络也在不断的升级和提高，并进入了人们生活的方方面面。移动通信基站在给人们带来便捷的通信及网络服务的同时，其本身的电磁辐射也越来越引起了人们的高度关注，并逐渐成为了产业界乃至整个社会所关心的热点话题。
　　 我国在1987年就开始使用采用频分多址技术的模拟式蜂窝电话通信，随着大规模集成电路、微型计算机、微处理器和数字信号处理技术的大量应用发展，使得移动通信进入了第二代数字移动移动通信系统(GSM)采用时分多址TAMA和频分多址FDMA相结合，凭其抗干扰能力强、用户设备小、成本低等诸多优点，开始进入了我国的每一个家庭。
　　 同时移动通信技术和网络技术的飞速发展，第三代移动通信技术得到了广泛的应用。由我国自主开发的第三代移动通信技术TD-SCDMA（时分同步码分多址）采用了时分多址TDMA、码分多址CDMA、频分多址FDMA和智能天线SDMA等四种多址技术，在国内得到了大规模的开发应用，由于缺乏针对TD-SCDMA基站电磁辐射研究，其天线比GSM基站天线要大些，使得不少公众认为TD-SCDMA基站电磁辐射影响要大于GSM基站，反对其基站建设。因此，为让公众能正确了解TD-SCDMA基站电磁辐射影响，进一步促进我国自主开发的第三代移动通信技术的发展和网络建设，对TD-SCDMA基站电磁辐射的研究闲的极为迫切。本论文着重研究探讨在不同地面环境条件下TD-SCDMA基站周围电磁辐射的空间分布特性。
　　
　　二、TD-SCDMA移动通信原理及电磁辐射传播特性
　　1、TD-SCDMA移动通信原理
　　TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access时分同步的码分多址技术）是我国提出的第三代数字移动通信技术。该标准将智能天线、同步CDMA（码分多址）、接力切换、联合检测和软件无线电（SDR）等技术融于其中。其系统结构完全遵循3GPP网络结构[1]，分为地面无线接入网和核心网。根据国家无线电管理委员会的有关文件规定，江西移动TD-SCDMA移动通信系统具体频率分配见表2-1。
　　表2-1江西移动TD-SCDMA移动通信系统工作频率分配表
　　A频段 B频段
　　1880 MHz～1900 MHz 2010MHz～2025MHz
　　目前，一般情况下TD-SCDMA基站（八阵元天线）的主要技术参数见表2-2
　　表2-2TD-SCDMA基站技术参数汇总表
　　天线高度(m) 阵元增益(dBi) 赋形增益(dBi) 阵列增益(dBi) 天线俯角(°) 垂向半功率角(°) 水平半功率角(°) 阵元发射功率(W)
　　15~70 14~16 6~9 9 3~9 6~9 65±15 1
　　TD-SCDMA基站天线辐射的电磁波形成电磁波瓣，其周围电磁场强度与电磁波的方向和强度正相关。
　　TD-SCDMA基站采用自使用智能天线，其原理是将无线电信号导向具体方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号达到方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。典型的智能天线结构见图2-1，其主要包括4个部分：天线阵元、模数转换、自适应处理器和波束赋形网络。
　　图2-1 智能天线结构图
　　TD-SCDMA智能天线蛀牙实现两种波束：广播波束和业务波束。广播波束主要用于公用信道（PCCPCH、SCCPCH、PICH、FPACH等）作系统广播，其波束较宽，使各小区无缝隙覆盖。业务波束是在建立具体通话链路后形成，针对每一个用户形成一个窄波束并紧紧跟踪用户。由于波束很窄，能力比较集中，在相同功率情况下，智能天线能将有用信号强度增加，并减少对其他用户的干扰。智能天线能很好集中信号，发射机可适当减少发射功率，使得电磁辐射强度能够降低。另外智能天线波瓣窄，其影响范围也大幅将少。
　　2、TD-SCDMA基站无线电波传播特性
　　 TD-SCDMA移动通信采用直射波辐射的方式传播，其特点为：天线高度远大于工作波长；通信距离通常在视线距离之内；由于存在多径传播现象，造成直射波和反射波互相干扰，引起接收点场强起伏变化并随距离呈波动变化；直射波辐射传播方式与天波辐射相比更为稳定。基站无线电波在空间中的传播方式[2]有4种：直射、反射、绕射和衍射，如图2-2所示。
　　
　　图2-2 无线电波在空间的传播方式
　　移动通信无线电波传播损耗的常见类型主要有：
　　 （1）绕射损耗：绕射损耗是由障碍物引起的附加传播损耗，可分为单刃绕射、多刃绕射、圆球形绕射；一般绕射损耗比较大，而圆球形绕射损耗最大。多刃绕射损耗则可以由单刃绕射损耗累加得到。
　　 （2）反射损耗：反射损耗的大小不仅与反射面的反射系数（扩散系数、镜面反射系数、漫反射系数等）有关，也与发射角的大小有关。
　　 （3）建筑物贯穿损耗：建筑物的贯穿损耗是指无线电波穿过建筑物的外墙所受到的衰减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中值之差。
　　 （4）人体损耗：手持机位于使用者腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体几个波长时将分别降低4~7dB和1~2dB，一般人体损耗设为3dB。
　　 （5）车内损耗：一般车内损耗为8~10dB。
　　 （6）植被损耗：植被损耗与树林的稠密程度、树叶形状、树林的厚度、树林与接收天线的距离等有关。
　　三、TD-SCDMA基站电磁辐射空间分布研究
　　环境条件的不同，基站电磁辐射也随之变化，基于TD-SCDMA在不同环境条件下传播机理的复杂性，本论文主要研究在不同地面条件下TD-SCDMA基站电磁辐射时空分布特性。
　　TD-SCDMA基站发射的电磁波以基站天线为圆心向外扇形传播，其周围某点功率密度大小，与其两点间的路径损耗量有关。路径损耗主要与载频频率、传播速度、传播地形和地貌有关。TD-SCDMA基站主要采用Asse3G来计算路径损耗[6,7]，其表达式为：
　　
　　式中：L――路径损耗，单位为dB；
　　K1――固定偏移因子（与频率相关），单位为dB，2000MHz取162.5；
　　K2――距离衰减因子，取44.9；
　　d――基站天线与移动台（手机）天线之间的水平距离，单位为km
　　hms――移动台（手机）天线的有效高度，单位为m；
　　K3――与移动台（手机）天线高度相关的因子，取-2.55；
　　K4――与移动台（手机）天线告诉相关的因子，取0；
　　K5――与发射天线高度相关的因子，取-13.82；
　　K6――与log(Heff)log(d)相乘的因子，取-6.55；
   　　K7――与衍射计算相关的因子，取0.8；
　　Heff――基站天线的有效高度，定义为基站天线实际海拔高度与基站
　　 沿传播方向实际距离内的平均地面海拔高度之差，单位为m；
　　DiffractiongLoss――路径上有障碍物而引起的衍射损耗，在无障碍
　　物时取0；
　　ClutterLoss――经由地物损耗效应，一般情况下的缺省取值见表4-1。
　　表4-1地物损耗缺省取值表
　　
　　当不考虑馈线损耗和路径损耗时，TD-SCDMA基站周围远场功率密度计算公式如下：
　　
　　式中： S――预测点的功率密度，单位μW/cm2;
　　 P――基站的最大发射功率，单位W；
　　 d――预测点与基站天线的距离，单位m；
　　 Gv――阵元增益，单位dB；
　　 GHeff――智能天线赋形波束有效增益，单位dB。当某个方向出现最大瞬时辐射强度时G GHeff值取3dB。
　　当考虑馈线损耗和路径损耗时，“PGv”可处理为等效全向发射功率（EIRP）,计算方法如下：
　　EIRP=发射功率+天线增益-馈线接头和合路器损耗-路径损耗
　　 式中各参数单位均为dB。其中TD―SCDMA天线下行时天线增益为：
　　天线增益=阵元增益+赋形增益+阵列增益
　　根据以上计算公式，华东交大北区和新建二中TD―SCDMA基站理论计算结果见表4-1。
　　表4-1不同地面条件的功率密度理论计算结果 单位：10-2μW/cm2
　　序号 基站名称 地面条件 10m 20m 30m 40m 50m 60m
　　1 华东交大北区 水泥地 50.98 11.07 4.57 2.45 1.51 1.02
　　 草地 50.51 10.98 4.53 2.43 1.50 1.01
　　 林地 48.45 10.59 4.38 2.35 1.45 0.98
　　2 新建二中 水泥地 50.52 10.99 4.40 2.36 1.46 0.99
　　 草地 48.47 10.64 4.40 2.36 1.46 0.99
　　序号 基站名称 地面条件 70m 80m 90m 100m 110m 120m
　　1 华东交大北区 水泥地 0.73 0.55 0.43 0.34 0.28 0.23
　　 草地 0.73 0.54 0.42 0.34 0.27 9.23
　　 林地 0.70 0.53 0.41 0.33 0.27 0.22
　　2 新建二中 水泥地 0.73 0.55 0.42 0.34 0.28 0.23
　　 草地 0.71 0.53 0.41 0.33 0.27 9.22
　　由理论计算结果可以看出，三种地面条件下，TD-SCDMA基站的电磁辐射林地的路径损耗较大，草地次之，水泥地最小，充分说明了水泥地面对电磁波的衰减作用较小，由其反射的电磁辐射也较多些，而林地和草地具有较好的电磁波吸收效果。
　　四、不同地面条件下TD-SCDMA基站电磁辐射分布实例
　　本项目的实地监测点选择在华东交大北区及新建二中两个基站，监测仪器为SRM3000宽带电磁辐射选频仪，沿TD-SCDMA基站主瓣轴线方向布点，每隔10m布设监测点，直至120处，在1.7m高度进行测量；另在不同高度建筑物楼层的墙体外侧布设监测点。监测同时采用几台TD-SCDMA手机进行通话连接，保证基站在持续发射业务波束状态。实测基站具体参数见表4-2，基站图片见图4-1、4-2。
　　表4-2实测基站基本参数一览表
　　序号 基站名称 立塔类型 环境特征 阵元增益(dBi) 赋形增益(dBi) 阵列增益(dBi) 天线俯角(°) 发射功率(W) 天线挂高(m)
　　1 新建二中 楼顶增高架 基站位于南昌新建县长?僬虺ぢ舐酚胛幕?大道交叉口居民楼7楼楼顶。周边是居民区、学校。两个主瓣方向为水泥地面、一主瓣方向为菜地。 14.5 7 9 3 1 23+8
　　2 华东交大北区 楼顶抱杆 基站位于南昌市昌北铁路机械学校5楼楼顶。周边是教学楼及礼堂，三个主瓣方向地面分别为林地、草地和水泥地 14.5 7 9 3 1 26+3
　　
　　
　　 图4-1 新建二中基站图4-2 华东交大北区基站
　　各基站监测布点图见图4-3和图4-4。
　　
　　图4-3新建二中基站监测布点图
　　
　　
　　图4-4华东交大北区基站监测布点图
　　监测结果见表4-3和表4-4。
　　表4-3不同地面条件的功率密度监测结果 单位：10-2μW/cm2
　　序号 基站名称 地面条件 10m 20m 30m 40m 50m 60m
　　1# 华东交大北区 水泥地 4.62 5.63 7.64 12.35 13.39 13.61
　　 草地 4.51 4.69 8.12 11.58 11.27 12.52
　　 林地 3.37 4.03 5.08 9.20 11.23 10.15
　　2# 新建二中 水泥地 5.69 7.39 7.63 10.37 15.42 13.68
　　 草地 4.19 6.69 8.87 11.54 14.25 10.62
　　序号 基站名称 地面条件 70m 80m 90m 100m 110m 120m
　　1# 华东交大北区 水泥地 12.52 11.33 6.47 5.25 5.17 4.46
　　 草地 11.37 8.11 5.20 4.64 4.39 3.93
　　 林地 8.98 5.23 4.67 2.69 3.07 2.14
　　2# 新建二中 水泥地 10.19 9.28 6.15 5.47 4.71 4.26
　　 草地 7.35 7.10 5.12 4.55 2.91 1.70
　　
　　
　　图4-5不同地面条件功率密度水平距离变化图
　　由表4-3和图4-5可以看出，在TD-SCDMA基站周围的上述四种不同地面条件（水泥地、草地和林地）中，距离基站相同距离处，地面环境为水泥功率密度最大。在基站较近的范围内，功率密度是逐渐增大的，最大值一般出现在距离基站50m附近，大量文献表明[8~13]这是由于基站发射天线一般由下倾角，监测点位从近距离逐渐进入天线主瓣影响区，当监测点位逐渐远离主瓣影响区域时，功率密度随距离的增大而减小。从曲线变化幅度来看，水泥地和草地的衰减变化情况比较相似，而林地在80~120m范围内变化幅度较大。水泥地有最为稳定的一种边界，其变化幅度不大，说明水泥地对电磁辐射的衰减作用较小。同时监测结果表明，具有一定表面覆盖物的区域（如林地、草地），在距离辐射源相同距离处，其功率密度具有较好相关性，说明这两种区域对于电磁辐射的衰减作用较相近。从监测结果的变化幅度上可以看出看，林地的衰减作用要比草地要大些。
　　五、结果
　　通过对比理论预测和现场监测结果，两者存在较大的差异，可能是因为对于TD-SCDMA基站近距离内电磁波的路径损耗预测需要在Asset3G模型的基础上考虑电磁波的穿透损耗及距离修正，在预测条件与实测条件上存差异。但两者结果均表明，林地具有较好的电磁波衰减作用，草地次之，而水泥地最小，由于在密集的城市区域水泥地面占绝大多数，进一步增强了电磁波反射作用，其吸收量较小，因此加大城市的绿化面积，对减轻电磁辐射影响具有较大作用。
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　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。2390