TD-SCDMA系统电磁环境影响综合研究

林坚立，章 莹，田 勇

（中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司 深圳 518048）

1 引言

3G时代到来，TD-SCDMA成为中国惟一具有自主知识产权的3G标准，中国移动承担了建设重任，率先在全国铺开大规模TD-SCDMA网络的建设。随着人们健康意识与环境保护意识的日益增强，TD-SCDMA基站曾因天线大、馈线多、功放多等因素，电磁辐射问题一度备受关注，投诉与纠纷日益增多。为此，通过对TD-SCDMA系统电磁辐射环境影响进行研究，结合国家电磁辐射防护标准计算安全的防护距离，将有助于合理预防辐射污染，对群众进行正确引导。

2 TD-SCDMA防护距离的计算

2.1 防护距离描述

防护距离是指为了满足我国电磁辐射防护规定的公众照射限值要求，并符合相关电磁辐射管理规定，空间某一点必须离开辐射源天线的最小隔离距离，如图1所示。

由于天线具有方向性，因此在天线的不同方向防护距离不同，这里主要考虑两个方向的防护距离，分别是水平防护距离和垂直防护距离。由于天线的下倾角一般很小（10°左右），为简化起见，水平防护距离可认为是天线最大辐射方向上的防护距离。在水平方向上，还需考虑天线水平波瓣宽度的影响。垂直防护距离主要考虑电磁辐射对人所易至区域的影响，是指天线正下方区域满足相关电磁辐射限值要求的最小距离。

2.2 选取计算模型

电磁场场量参数（电场强度、磁场强度、功率密度等）的计算有多种方法，实际应用中根据所需的精确性及可获取的辐射源天线的参数情况，通常可采用三种模型进行理论上的计算：全波（Full-wave）模型、综合（Synthetic）模型和点源（Point Source）模型。

全波模型采用基于解Maxwell方程的数值计算方法，包括矩量法（MoM）和时域有限差分法（FDTD）等，这种模型的优点是精确性高，可应用于电磁场的各个场区，但由于需要进行精确建模，复杂性高，计算量大。

综合模型的基本思想是将辐射源天线看成是由多个相同单元小天线片组成的。空间某一点的电磁场强度可以按如下方法计算：各个小天线片作为独立的信号源，求其矢量和。这种方法可以提高近场区计算的精确性，但其缺点是应用中很难获取每一个单元天线的准确参数。

点源模型不考虑发射天线的尺寸，将发射天线看成是一个点源，该点源位于实际天线的中心，并且具有与该天线相同的辐射模式（方向性）。点源模型是一种简单而有效的计算模型，通常比较适合于远场区域，在近场区域由于天线的尺寸不能忽略因而会导致计算结果与实际偏差较大。根据ITU-T K.70的建议，对于电磁辐射水平的计算，该模型除了在远场区能达到很好的精度外，在辐射近场区的一部分，也能达到较好的计算结果。具体来说，该模型的适用范围如下：

其中，r表示空间某点到点源的距离，D表示天线最大尺寸，λ表示波长。在自由空间传播条件下，天线口等效辐射功率与功率密度的关系为：

其中：P是天线口等效辐射功率，单位为W；r为监测点到天线的距离，单位为m。

由此可得：

由于在基站周围存在着大量的反射物体以及测量点附近受到来自地面反射波的影响，因此一般情况下使用自由空间传播模型与实际的测量结果会有一定的差别，但是在远离地面的空中并且与天线的距离不太远的情况下，如果周围没有明显的反射物，可以使用自由空间传播模型进行计算。

2.3 辐射限值（S取值）

我国现行电磁辐射防护标准 《电磁辐射防护规定》（GB 8702-88），在移动通信所在频段 30～3 000 MHz，对于公众限值给出了总量上的规定：在一天24 h内，环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6 min内的平均值应小于40 μW/cm2，这是在该频段上可以接受的防护水平的上限，包括在该频段上各种可能的电磁辐射的总量值。

根据国家环保总局《辐射环境保护管理导则—电磁辐射环境影响评价方法与标准》（HJ/T 10.3-1996），为使公众受到总照射剂量小于GB8702-88的规定值，对于一般的电磁辐射项目的管理，应以GB8702-88中功率密度限值的1/5作为评价标准，因此对于移动通信系统，管理目标值为 8 μW/cm2，即式（2）中 S 取 8 μW/cm2。

2.4 等效辐射功率（P取值）

TD-SCDMA基站天线口等效辐射功率（ERP）的核算需要考虑的因素有：信源输出功率、馈缆损耗、天线增益、多载波配置。

（1）信源输出功率

TD-SCDMA基站的射频输出功率由其室外单元（RRU或室外功放）决定。目前大多数TD-SCDMA基站设备室外单元每通道标称发射功率分别为2 W和1 W。最大配置情况下，每个小区共8个通道，因此，考虑最恶劣情况，总的最大输出功率为16 W（42 dBm）。

由于TD-SCDMA采用TDD双工方式，即基站的接收和发射是通过时间来区分的，一部分时间只用于接收，一部分时间仅用于发射，因此相对于频分双工（FDD）系统，可以获得更低的平均功率，下面将结合TD-SCDMA的物理帧结构，对TD-SCDMA基站系统的实际平均发射功率进行核算。

①TD-SCDMA帧结构

TD-SCDMA帧结构如图2所示。

3GPP定义的一个TDMA帧长度为10 ms。TD-SCDMA系统为了实现快速功率控制和定时提前校准以及对一些新技术的支持（如智能天线、上行同步等），将一个10 ms的帧分成两个结构完全相同的子帧，每个子帧的时长为5 ms。每一个子帧又分成长度为675 μs的7个常规时隙（TS0～TS6）和 3 个特殊时隙：DwPTS（下行导频时隙）、GP（保护间隔）和UpPTS（上行导频时隙）。常规时隙用作传送用户数据或控制信息。

②时隙结构

TD-SCDMA系统共定义了4种时隙类型，它们是DwPTS、UpPTS、GP 和 TS0～TS6。其中 DwPTS和 UpPTS分别用作上行同步和下行同步，不承载用户数据，GP用作上行同步建立过程中的传播时延保护，TS0～TS6用于承载用户数据或控制信息。

DwPTS的时隙结构如图3所示。

每个子帧中的DwPTS由基站以最大功率在全方向或某一扇区上发射。这个时隙通常是由长为64 chip的SYNC_DL和32 chip的保护码间隔组成。

UpPTS的时隙结构如图4所示。

每个子帧中的UpPTS是为上行同步而设计的，当UE处于空中登记和随机接入状态时，它将首先发射UpPTS，当得到网络的应答后，发送RACH。这个时隙通常由长为128 chip的SYNC_UL和32 chip的保护间隔组成。

常规时隙结构如图5所示。

保护时隙或保护域：GP是为避免UpPTS和DwPTS间干扰而设置的，该区域不发射信号。

③平均发射功率

根据以上对TD-SCDMA帧结构的剖析，可以核算出其多时隙平均发射功率。当没有业务的情况下，只有在TS0时隙的广播信道和DwPTS发射信号，则整个帧周期内，广播信道与导频信道发射信号的时间比例如下：

当上下行业务时隙按3∶3配置时，业务信道的发射时间比例为：

同样可以计算出当上下行时隙配置为2∶4和1∶5时，业务信道的发射时间比例分别为0.53和0.6625。

因此，对于TD-SCDMA室外宏基站，当上下行业务时隙配置为 3∶3、2∶4和 1∶5时，其实际最大发射功率分别为39.4 dBm、40.3 dBm和41.1 dBm。对于每个业务时隙，由于系统功率控制及业务负荷的原因，一般不可能以满功率发射，因此实际平均功率还会进一步降低。

（2）馈缆损耗

由于TD-SCDMA基站室外靠近天线安装，故馈缆损耗仅计算从RRU的输出到天线的输入这一段跳线，通常取为1 dB。

（3）天线增益

TD-SCDMA基站由于采用了智能天线，对不同的信道将表现出不同的增益。就下行信道来说，下行广播信道由于信号全扇区覆盖，天线增益不需考虑赋形增益；对于下行业务信道，当承载64 kbit/s以上速率的数据业务时，存在赋形增益；当承载语音业务时，其赋形增益受小区负载、用户位置分布的影响，当小区负载高且用户集中分布时，赋形增益较大。

8阵元定向智能天线的单元天线增益为15 dBi，赋形增益理论上最大为9 dBi，由于环境的复杂性，实际测试为6～7 dB。因此最恶劣情况下，8阵元定向智能天线的综合增益最大可达22 dBi。

（4）多载波

TD-SCDMA基站功放共享，因此在配置多载波的情况下，其最大输出功率不变，仍然为每通道2 W。

（5）TD-SCDMA 宏基站 ERP核算

TD-SCDMA宏基站ERP核算需要将广播信道与业务信道分别考虑，然后在帧周期内取加权平均求和，根据前面说明，可得TD-SCDMA系统宏基站天线口等效辐射功率核算如表1所示。在TD-SCDMA系统中，考虑CS64 kbit/s视频业务得到广泛应用的情况下，激活因子取1。

表1 TD-SCDMA宏基站ERP核算参数

从表1核算结果可见，当采用定向智能天线时，考虑辐射影响最恶劣的情况，即信源以最大功率发射，在天线最大辐射方向（主瓣方向）上，TD-SCDMA系统宏基站的天线口ERP为61.4 dBm。其他方向上的ERP与具体使用的天线有关，由天线方向性函数决定，但都比该ERP值小。

2.5 防护距离与ERP的关系

根据式（2），当 S=8 μW／cm2时，可以得到防护距离与天线口等效辐射功率的关系，如图6所示。可以看出，防护距离随天线口ERP的增大而增大，但其增长速度比功率的增长要缓慢得多。

2.6 水平防护距离

当ERP取值为61.4 dBm（相当于1 392 W）时，得到天线最大辐射方向上的水平防护距离为37.2 m。

2.7 垂直防护距离

实际基站天线的垂直波瓣宽度一般在7°～15°，天线的倾角一般也很小（10°以下），因此在地面或者楼顶上，离天线较近时，通常只受垂直方向副瓣的覆盖。离天线安装位置较近时，如与垂直方向夹角30°范围内，对于低增益天线，副瓣比主瓣最大增益至少低20 dB，当采用中高增益天线时，垂直方向的副瓣增益进一步降低，副瓣比主瓣最大增益将低25 dB，因而地面或者楼顶平台上的电磁辐射强度比理论计算的最大方向要小得多，以副瓣增益比主瓣低25 dB进行核算，计算得出TD-SCDMA宏蜂窝基站垂直防护距离为2.1 m。

3 TD-SCDMA系统话务波动对电磁辐射的影响

基站的话务负荷反映了对基站信道资源的占用情况，一定呼损（GoS）下的话务负荷与信道资源之间通常采用Erlang B公式。假定基站在基本信道单元（对于GSM系统是时隙，对于TD-SCDMA系统是码道）上的发射功率是不变的，那么从平均功率的角度来看，小区的辐射功率与信道占用情况成正相关关系，即占用的信道单元越多，电磁辐射功率越大。通过信道资源的占用情况可以把话务负荷与小区辐射功率联系起来，如图7所示。

在TD-SCDMA系统中，对于每一个常规时隙，它又有16个码道，因为TD-SCDMA系统是TDMA和CDMA混合接入系统。对于语音业务，一个用户需要占用两个码道，也就是说一个常规下行时隙最多能同时容纳8个语音用户，即一个常规下行时隙有8个信道。在TD-SCDMA网络规划中，为避免扩展载波导致覆盖范围的收缩，以3载波进行规划，并且3载波共享发射功率。

以下分两个极端的情况分别估算小区单载波配置时的发射功率，其中N为载波数，此处为1；M为业务信道数。

①单载波（单通道最大功率2 W），当没有业务的情况下，只有TS0时隙的广播信道和DwPTS发射，则整个帧周期内，发射信号的时间比例如下：

这样，RRU每通道最大功率为2 W，则当没有业务的情况下，实际的每通道平均发射功率为：

（Pav）min=2×0.1425=0.285（W）=24.5（dBm）

②单载波（单通道最大功率 2 W），考虑 3个上行、3个下行时隙配置，下行时隙都被占用，则整个帧周期内，发射信号的时间比例如下：

这样，由于每通道最大功率按2 W计算，则实际的每通道输出功率为：

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

因此，单载频配置下的基站发射功率波动范围为0.285～1.1 W，用dBm表示为24.5～30.4 dBm，假设天线增益为G，那么天线发射功率的波动范围为（24.5+G）～（30.4+G）dBm，可见对于离基站天线一定距离的特定位置，在单载频配置下的电磁辐射功率密度的波动范围在6 dB以内。

根据上节分析的话务量与信道资源的占用关系，可以得到小区单载频时话务量与RRU单通道平均功率之间的曲线关系，如图8所示。

对于最大配置S3/3/3下的某一基站，其每个小区有3个载频，以下分两个极端的情况分别估算小区发射功率，其中N为载频数，此处为3，M为信道数。

①3个载波，N=3，M=1，一般采用N频点技术，没有业务时，只第一个载波的TS0在发送广播信息，其他时隙均空闲，则：

（Pav）min=2×0.1425=0.285（W）=24.5（dBm）②3 个载波，N=3，M=24（业务信道数），上下行各配置3个业务时隙，并且下行时隙全部被占用，则：

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

根据话务量与信道资源占用关系，可以得到小区3载频配置时话务量与RRU单通道平均功率之间的曲线关系，如图9所示。

4 TD-SCDMA信道设置对电磁辐射的影响

4.1 信道功率配比原则

为降低电磁辐射，TD-SCDMA无线信道的功率配置应遵循以下原则。

·上下行链路覆盖平衡。TD-SCDMA系统上行覆盖主要受限于功率，下行覆盖主要受限于功率和容量。总的来说，TD-SCDMA是一个上行覆盖受限的系统。因此，下行链路上业务信道和公共信道的发射功率可以适当降低，实现上下行链路的覆盖平衡，这样可以尽可能减少干扰。

·业务信道和公共信道间覆盖平衡。一般情况下，两者中主要是业务信道覆盖受限。但是对于某些业务，公共信道覆盖也可能成为受限因素。由于很难实现不同业务的覆盖一致，因此主要根据覆盖目标区域的基本业务进行公共信道的功率调整，实现公共信道和目标业务信道的覆盖一致即可。

·公共信道间覆盖平衡。目前，系统中默认公共信道按照其占用的码道数来分配TS0时隙的功率。但是这样的分配机制并不能保证各个公共信道的覆盖半径趋于一致。可以根据各个公共信道的实际情况（主要是指相对于PCCPCH信道的覆盖半径偏差度），灵活地设置各个公共信道的传输功率（即相对于PCCPCH功率的偏移），实现所有公共信道的覆盖半径一致。

TD-SCDMA系统是一个CDMA系统，因此，对于某个信道来说，应该按照恰好满足其要求的最低功率进行发射才是最优的，这样可以尽可能降低干扰，节约功率资源，提高系统容量。

4.2 信道功率配比建议

由于密集市区/一般市区/郊区/乡村不同覆盖场景中，无线网络覆盖均受限于上行CS64 kbit/s业务，相对于业务信道，PCCPCH信道一般不会成为覆盖受限因素，但是其他公共信道，尤其如FACH信道，会成为覆盖受限因素，因此无线网络规划中，同样需要考察公共信道的链路预算，实现业务信道和公共信道的覆盖平衡。

针对TD-SCDMA无线网络公共信道功率配比，建议流程如下。

（1）根据实际测试，确定目标区域覆盖受限业务的最大允许路损。

（2）根据受限业务的最大允许路损，确定PCCPCH信道的最大允许路损，并由此确定PCCPCH信道的功率配比值。

（3）根据表 2，确定其他公共信道相对于 PCCPCH信道的功率偏置配比建议。表2中各个下行公共信道发送功率定义在天线连接器，即机顶功率。

需要根据不同的覆盖场景的实际情况，合理地设置PCCPCH信道功率的大小。不同覆盖场景下，业务信道的覆盖半径需求是不同的。例如，密集市区主要问题在于容量而不是覆盖，此时可以适当降低业务信道发送功率，收缩业务覆盖半径，相应地可以降低公共信道的功率配比值。另外，也需要根据网络的不同发展阶段对下行公共信道功率的配置进行调整。在建网初期，主要问题是提高覆盖范围，此时需要设置较大的公共信道发射功率，可以通过设置较大的PCCPCH信道功率实现，其他公共信道的功率偏置无需变化调整。在网络成熟阶段，主要问题是容量问题，尤其是市区，此时需要收缩覆盖半径，同样可以通过设置较小的PCCPCH功率实现，其他公共信道功率偏置无需调整。

由于TD-SCDMA公共信道PCCPCH不存在功率控制，不进行智能天线波束赋形，因此要根据实际网络情况进行合理的功率配比设置，否则有可能以最大功率发射，不但增大系统干扰，影响网络容量与质量，还会增加对电磁环境的辐射。TD-SCDMA业务信道功率的配比与优化设置也同样重要，即在满足业务质量的前提下，尽量降低发射功率。

表2 TD-SCDMA公共信道功率配比建议值

5 结束语

综上分析，以国家《电磁辐射防护规定》中8 μW／cm2作为电磁辐射管理目标标准，TD-SCDMA基站天线主瓣方向上水平防护距离约为37.2 m，垂直防护距离约为2.1 m。在同一防护距离下，随着负载的增加，话务量增大，辐射功率密度逐渐增大。但即使在高负载时，在主瓣方向距离天线37 m的水平防护距离下，其电磁辐射水平远小于环境管理目标值8 μW/cm2。在实际网络运营中，将公共信道进行合理配比，对业务信道功率参数进行动态调整，提高网络质量的同时，将会有效降低TD-SCDMA系统电磁辐射对环境的影响。

1 GB 8702-88.电磁辐射防护规定.国家环保总局，1989

2 HJ/T 10.3-1996.辐射环境保护管理导则—电磁辐射环境影响评价方法与标准.国家环保总局，1996

3 关于印发《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》（试行）的通知.国家环境保护总局，信息产业部，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