移动基站远场区功率密度分布和规划控制距离

翟国庆,周 兵,贾 丽,曹 勇,杨维耿(.浙江大学环境污染控制技术研究所,浙江 杭州 3008；.浙江省辐射环境监测站,浙江 杭州 300)

移动基站远场区功率密度分布和规划控制距离

翟国庆1*,周 兵1,贾 丽1,曹 勇2,杨维耿2(1.浙江大学环境污染控制技术研究所,浙江 杭州 310028；2.浙江省辐射环境监测站,浙江 杭州 310012)

为掌握畸变条件下移动通讯基站周围功率密度分布,合理确定其规划控制距离,在杭州市主城区选取具有不同网络类型和载波数的2057个移动基站,实测话务高峰期基站周围射频场功率密度.结果表明,畸变条件下GSM基站远场区功率密度S∝r-1.83(非畸变条件下S∝r-2),决定系数R2=0.80;距基站天线20m内,约85.91%测点功率密度实测值小于非畸变条件下依据天线标称功率和增益计算的理论值.,频数统计结果表明,距天线1～15m范围内,运营商A所属基站S10值(表示有10%的测点功率密度高于该值)比运营商B高10.00%;距天线1～30m内,双网和三网共站基站S10值分别比单网基站高50.31%和57.10%.移动通讯基站规划控制距离以15m为宜,15m外测点功率密度值超过8µW/cm2的基站只占所测基站的0.11%.

移动通讯基站；畸变场；功率密度；衰减模式；规划控制距离

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,我国手机使用量已居世界首位,移动通讯基站数量和密度近年来增长较快.为防止频率复用电磁波越界带来的同频干扰,基站天线高度随之降低,天线辐射的电磁波在楼群中传送与反射的几率增多,即辐射到居民楼的机会增加;基站发射机功率也随之降低,基站与基站之间的距离逐渐减小,可能造成多个基站之间场强和功率密度叠加[1].手机及通讯基站所辐射的电磁波对人体健康的影响备受关注.一般来说,过量超强度的电磁辐射对人体造成急性损害的情况比较少见,但有文献报道低强度、长期慢性积累的电磁辐射暴露,可能对人体的中枢神经系统、心血管系统、生殖系统以及机体免疫功能等造成多方面的损害[2-3].因此,调查实际环境中移动通讯基站周围射频场分布,建立畸变条件下移动基站功率密度经验预测模式,并对基站提出合理的规划控制距离要求具有重要的现实意义.通常所提防护距离为与基站地面投影的水平距离要求,而本文所指规划控制距离指公众可进入范围与基站天线的最近直线距离要求.

为此,选取杭州市主城区2008年底前建成投运的具有不同网络类型和载波数的2057个移动通讯基站,实测话务高峰期基站周围射频场功率密度.根据938个GSM移动通讯基站周围测点功率密度实测值,通过数据拟合,建立了畸变条件下GSM基站远场区功率密度随距离衰减的关系式.同时对2057个移动通讯基站话务高峰期周围功率密度实测值进行统计分析,并结合目前我国移动通讯基站的发展趋势和电磁辐射特性,合理确定通讯基站的规划控制距离.

1 研究方法

1.1畸变条件下移动通讯基站功率密度衰减模式研究

移动通讯基站辐射的射频电磁波属于微波(300MHz-300GHz)频段,我国《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T10.2-1996)中给出了微波频段功率密度远场轴向预测模式[4].在不考虑畸变情况下,可采用上述模式预测计算移动基站远场区功率密度分布,但实际移动通讯基站辐射场分布受周边建筑、地形等影响较大.为此,在对938个GSM移动通讯基站周围射频场功率密度进行实测基础上,通过数据拟合,建立畸变条件下GSM基站远场区功率密度随距离衰减的关系式.

所调查测量的基站均位于杭州市主城区,各基站发射机标称功率及天线增益相同,分别为15W和15dB.考虑到我国GSM移动通讯基站上行频率为905～915MHz,下行频率为950～960MHz,对应波长(λ)为0.31～0.33m,全部功率密度测点与基站天线直线距离均大于3λ即处于1m之外的远场区.为建立极端条件下GSM移动通讯基站功率密度远场区衰减模式,全部测点测量时段均为话务高峰期,对与发射天线直线距离相同的测点,取功率密度测量结果中的较大值作为拟合数据.

1.2移动通讯基站防护距离研究

我国2008年底前建成投运的移动通讯基站网络类型和载波数主要有如下3种:GSM900/ DCS1800/CDMA单网;GSM900与CDMA共站;GSM900、DCS1800与CDMA共站.随机选取2057个基站(单网、双网共站和三网共站基站数分别为1152、486和419),实测基站附近远场区功率密度值,采用SPSS统计分析软件,按测点与基站天线之间的直线距离范围,对3种类型基站远场区功率密度实测值进行统计分析.

我国《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)规定,通讯基站辐射的电磁波频率范围内,24h中环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6min内,平均值应满足功率密度低于0.4W/cm2的要求,对单个基站一般取功率密度限值的1/5即8µW/cm2作为公众照射标准限值进行控制[5].为此,根据对基站远场区功率密度大量实测值的统计分析结果,比照单个基站周围公众照射功率密度值控制要求,确定移动通讯基站规划控制距离.

2 结果与讨论

2.1畸变条件下移动通讯基站功率密度衰减模式

GSM移动通讯基站周围功率密度理论值和实测值对比见图1.结果表明,功率密度理论值和实测值随距离的变化趋势总体相同,但受基站周围建筑、地形等影响,实测值大于理论值的测点数约占总测点数的34.92%,其中距天线1～15m范围内测点占9.09%,15～20m范围内测点占5.00%.

根据实测数据,拟合建立畸变条件下GSM基站远场区功率密度随距离衰减的关系式为

图1 GSM移动通讯基站周围功率密度理论值和实测值分布Fig.1 Distribution of theoretical and measured power density values of GSM communication base stations

式中:S为功率密度,µW/cm2;r为基站天线与测点之间直线距离,m;P为雷达发射机平均功率,W;G为天线增益,倍数.通信基站符合《环境电磁波卫生标准》(GB9175-88)中一级标准的室外安全防护距离理论值为14.3m,符合二级标准的防护距离为7.1m[7];另有研究者对辽宁省2781个移动通讯基站进行研究,提出符合《电磁辐射防护规定》中公众暴露限值的1/5(8µW/cm2)的防护距离范围为12～38m[8];还有研究认为,在极端情况(所有发射均为满功率,无阻挡物,正对天线主瓣方向)下,防护距离不超过30m[9].参考以上研究结果及单个基站周围公众照射功率密度值的控制要求,根据表1所给出的大量基站附近功率密度统计分析结果,以统计值S10作为参考量,移动通讯基站规划控制距离以15m为宜.

图2 不同类型基站远场区功率密度统计值Fig.2 Far-field statistical power density values of various base stations

2.2移动通讯基站防护距离

对具有不同网络类型和载波数的基站,距天线不同距离范围内测点功率密度统计分析结果见图2.图2中S10、S50、S90分别表示有10%、50%、90%的测点功率密度值高于该值.由图2可知,话务高峰期具有不同网络类型和载波数的移动通讯基站周围功率密度呈现一定变化规律.距天线1～30m范围内,双网和三网共站基站附近S10值分别高于单网基站50.31%和57.10%;距天线1～60m范围内,双网和三网共站基站S10分别高于单网基站54.55%和110.10%;距天线0～90m范围内,双网和三网共网基站S10分别高于单网基站28.79%和110.61%.可见,具有不同网络类型和载波数的通讯基站远场区功率密度统计结果存在一定差异.为确定移动通讯基站规划控制距离,基站网络类型和载波数的影响不容忽视.

有研究者通过对我国部分省市的移动通讯基站电磁污染现状的普查,提出了相应的防护距离要求,如湖南省有研究者提出的防护距离为20m[6];广东省有研究者提出在天线处于发射最大功率状态时,900MHz和1800MHz频段的移动通信基站符合《环境电磁波卫生标准》(GB9175-88)中一级标准的室外安全防护距离理论值为14.3m,符合二级标准的防护距离为7.1m[7];另有研究者对辽宁省2781 个移动通讯基站进行研究,提出符合《电磁辐射防护规定》中公众暴露限值的1/5(8μW/cm2)的防护距离范围为12～38m[8];还有研究认为,在极端情况(所有发射均为满功率,无阻挡物,正对天线主瓣方向)下,防护距离不超过30m[9].参考以上研究结果及单个基站周围公众照射功率密度值的控制要求,根据表1 所给出的大量基站附近功率密度统计分析结果,以统计值S10 作为参考量,移动通讯基站规划控制距离以15m 为宜.

图2 不同类型基站远场区功率密度统计值Fig.2 Far-field statistical power density values of various base stations

常见的移动通讯基站天线架设方式有支撑杆、屋顶塔、增高架及落地铁塔等.我国城市范围内的移动通讯基站天线多架设于建筑屋顶[10],

因此公众可到达区域距天线的直线距离一般都大于15m,将该值作为基站规划控制距离实施起来也较为可行.统计结果显示,在调查测量的2057个基站中,距天线15m外,只有约0.11%的基站功率密度测量值会超过8µW/cm2.这部分基站完全可以通过降低发射功率、调整天线主瓣方向、适当增加天线高度等措施达到这一要求[11].而且,随着我国3G等新一代移动通讯技术的发展,基站建设呈现单个基站发射功率减小、分布密度增大趋势,今后该规划控制距离外功率密度超过8µW/cm2的可能性将更小.

表1 基站周围功率密度测量值统计结果(µW/cm2)Table 1 Statistical analysis results of power density values around base stations(µW/cm2)

3 结论

3.1畸变条件下GSM基站远场区功率密度S∝r-1.83(非畸变条件下S∝r-2),R2=0.80;距基站天线20m内,约85.91%测点功率密度实测值小于非畸变条件下依据天线标称功率和增益计算的理论值.

3.2频数统计结果表明,距移动通讯基站天线1～5m内,各测点功率密度统计值S10高于8µW/cm2,其余范围内S10值均低于8µW/cm2.距天线1～15m内,运营商A所属基站S10值比运营商B高10.00%.距天线1～30m内,双网和三网共站基站S10值分别比单网基站高50.31%和57.10%.

3.3单个基站功率密度贡献值按8µW/cm2进行控制情况下,移动通讯基站规划控制距离以15m为宜,15m外功率密度值出现超过8µW/cm2的基站约占总基站的0.11%,采取一般技术措施后这些基站15m外测点功率密度值完全可以控制在8µW/cm2以下.区别于一般“防护距离”概念,对移动通讯基站实施“规划控制距离”更具可行性.

[1] 张建宏.电磁辐射污染与电磁环境监测 [J]. 电力学报,2007,22(1):39-40,43.

[2] Radn K, Parera D, Rose D M, et a1. No effects of pulsed radio frequency electromagnetic fields on melatonin, cortisol, and selected markers of the immune system in man [J]. Bioelectromagnetics, 2001,22(4):280-287.

[3] Stagg R B, Pastorian K, Cain C, et a1.Effects of immobilization and concurrent exposure to a pulse-modulated microwave field on core body temperature, plasma ACTH and cortisosteroid, and brain ornithine decarboxylase, Fos and Jun mRNA [J]. Radiation Research, 2001,155:584-592.

[4] HJ/T10.2-1996 辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法 [S].

[5] HJ/T10.3-1996 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 [S].

[6] 金 侃,张 亮.湖南省GSM移动通信基站电磁辐射环境影响分析 [J]. 污染控制, 2005,8:32-33.

[7] 陈 旸,陈成章,年 冀,等.广州市GSM移动电话基站发射电磁波对环境污染影响分析 [J]. 中国环境监测, 2002,18(4):55-58.

[8] 王极刚.移动通讯发射基站功率密度对辐射环境影响分析 [J].中国环境监测, 2006,22(4):57-59.

[9] 朱东照,邵晓龙.蜂窝移动通信系统基站电磁辐射的分析 [J].邮电设计技术, 2003,8:19-22.

[10] 张邦俊,张 莉,翟国庆,等.移动基站近距离区域电磁辐射污染分布特征 [J]. 中国环境科学, 2002,22(6):565-568.

[11] 陈继亮,温如春.移动通信基站电磁辐射影响因素分析 [J]. 上海环境科学, 2002,21(2):118-121.

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

翟国庆(1973-),男,浙江杭州人,副教授,博士,主要从事环境物理方面的教学和科研工作.发表论文30余篇.

2010-01-17

国家环境保护总局核与辐射安全2007年项目计划(调查0705)

* 责任作者, 副教授, dgq@zju.edu.cn