移动通信基站电磁辐射评估与测试

冯　岩，王　坦，杨文翰

(国家无线电监测中心/国家无线电频谱管理中心，北京 100037)



移动通信基站电磁辐射评估与测试

冯岩，王坦，杨文翰

(国家无线电监测中心/国家无线电频谱管理中心，北京 100037)

对移动通信基站产生的电磁辐射进行了科学客观的解释与评估。在研究和总结国内外研究进展及标准制定情况的基础上，通过理论分析、仿真计算和实地测试等手段，对不同场景下的移动通信宏基站和终端的电磁辐射水平进行了评估和测试。研究结果表明，目前移动通信基站的电磁辐射水平在国家规定的防护限值以内。

电磁辐射；移动通信；宏基站；防护限值

随着移动通信的快速发展，通信基站的部署越来越密集，手机也成为了人们生活中不可或缺的一部分。近期4G牌照的发放，再度引发了移动通信的发展热潮，新一轮基站建设即将拉开序幕。然而，在为生活带来便利的同时，移动通信电磁辐射对人体健康的影响，也逐渐引起了公众的关注。普通百姓面对生活中随处可见的通信基站，普遍存在着较强的畏惧心理和抵触心理。为了合理控制电磁辐射的影响，我国早在20世纪80年代就制定了关于电磁辐射防护的国家标准，防护限值相比国际上的限值标准更加严格。此外，国际上也早已开展了关于电磁辐射影响的研究工作。

实际上，电磁辐射分为非电离辐射和电离辐射两种，移动通信使用的无线电波产生的电磁辐射属于非电离辐射，能量很低，不会对人体造成影响。为了科学客观地解释和评估移动通信基站电磁辐射的水平，本文首先介绍了国内外关于移动通信电磁辐射的研究进展及标准制定情况，以及电磁辐射的评价指标和防护限值，作为移动通信电磁辐射的衡量依据。之后，对不同场景下的宏基站和终端产生的电磁辐射水平进行了分析，并进行了仿真计算及实地测试验证。

1　国内外研究进展及标准制定情况

1.1国际研究项目介绍

世界卫生组织(WHO)从1996年开始，组织开展了全球性的“国际电磁场计划”，对曝露在电磁环境中对人体健康和环境的影响进行研究和评估。2006年WHO发布的第304号实况报道《电磁场与公共卫生：基站和无线技术》结论认为，在比较低的接触水平下，还没有足够的证据证明移动通信基站和网络会对健康造成有害影响。之后，WHO在2011年又发布了第193号实况报道《电磁场与公共卫生：移动电话》，国际癌症研究机构(IARC)将手机辐射的电磁场列为可能导致人类癌症的物质(Group 2B)。但同时也指出，“迄今为止，尚未证实手机的使用对健康造成任何不良后果”。WHO建议手机用户限制通话次数和使用时间，或者使用耳机以及用发短信、上网等方式替代打手机，以减少身体与手机辐射的接触量。同时，在接收信号好的地点使用手机，手机的传输功率会相应降低，也能够减少接触量。2013年WHO指出[1]，“手机的射频电磁场曝露一般是基站的1 000倍以上，因此，手机产生的影响可能更大”。虽然缺乏移动电话使用的长期数据，目前无法对移动电话使用的长期效应进行评估。但是由于移动电话的使用日趋普遍，世界卫生组织正在评估射频场对健康的影响，并鼓励进一步对青少年等长期使用移动电话的人群开展研究。

英国移动通信和健康研究项目(Mobile Telecommunications and Health Research Programme，MTHR)[2]于2001年启动，在英国政府和电信行业的资助下完成，总投入达1 360万英镑。该项目研究人员发表了60篇让同行评估的研究论文，包括了儿童癌症病例、白血病病例等与手机使用关联以及信号对人体健康的影响等方面的研究内容。2012年，该项目发布研究报告，指出根据11年的研究成果，并没有发现手机或基站辐射的电磁波与导致癌症或影响人体健康之间的联系。通过实验测试使用有线免提设备的电磁曝露效果，同时对手机电池、芯片等可能产生的低频电磁场进行了测量，研究证实使用有线免提设备能够降低移动电话曝露，手机电池、芯片等可能产生的低频电磁场场强远低于对人体组织产生影响的限值，尤其是与电动剃须刀、电吹风等同样会在头部附近产生低频电磁场的设备相比。

为了进一步研究使用手机对健康的长期影响，2008年MTHR宣布启动了手机使用和健康群组研究项目(Cohort Study of Mobile Phone Use and Health，COSMOS)，对用户行为进行长期实时跟踪调查。研究将关注各种健康问题与使用手机是否存在联系，例如脑癌和神经系统疾病等。

1.2国内外标准制定情况

为了防止电磁辐射对公众健康的影响，各国都纷纷制定了电磁曝露防护标准。我国环保部、卫生部早在1988年就先后制定颁布了《电磁辐射防护规定》(GB8702—1988)和《环境电磁波卫生标准》(GB9175—1988)等国家标准和法规，对电磁辐射限值进行了严格的规定。2014年9月国家环保部发布了《电磁辐射防护规定》的最新修订稿《电磁环境控制限值》，对0.1 MHz以下频段(包括50 Hz工频电磁场)的公众曝露控制限值进行了规定，与国际指标接轨。而对于0.1 MHz～300 GHz频段，与1988年《电磁辐射防护规定》中规定的限值完全一致。此外，针对移动电话使用时电磁辐射曝露可能对健康造成的影响，我国在2007年还出台了《移动电话电磁辐射局部曝露限值》(GB21288—2007)国家标准，对手机靠近人体头部使用时，手机电磁辐射公众头部曝露限值进行了规定。

目前，国际上还没有规定统一的电磁场曝露限值，不同国家和组织分别制定了相关标准。其中，世界卫生组织推荐的国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)1998年制定的导则《Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz)》[3]和美国电气与电子工程师学会(IEEE)制定的C95系列标准《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz》(最新版为IEEE C95.1—2005)[4]是目前各国参考采用的电磁辐射防护标准。IEEE C95.1标准包括1992版、1999版和最新制定的2005版，其中最新版中的曝露限值已与ICNIRP导则统一。IEEE C95.1标准和ICNIRP导则是基于短期曝露产生的电磁场热效应和电刺激效应的基础上制定出基本限值水平。而长期曝露在电磁场中可能产生的健康影响有关的科学证据，仍不足以证明应当降低这些限值[5]。美国联邦通信委员会(FCC)1997年公布的导则《Evaluating Compliance With FCC Guidelines for Human Exposure to Radio frequency Electromagnetic Fields》(FCC OET Bulletin 65—1997)[6]也对电磁曝露限值做出了规定[7]，其中，300 kHz～100 GHz频段的发射场强和功率密度的最大允许曝露采用了美国国家辐射防护委员会(NCRP)推荐的限值，而设备的比吸收率(SAR)值采用了ANSI/IEEE C95.1—1992中制定的限值。

国际上主要采用以下两种通用判定方法，评估人体在受电磁辐射的影响：

1)基本限值：比吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)。对于正常使用时距离人体20 cm以内的便携式发射机产品(如手机、Pad)，通过SAR值来判定电磁场强度，单位通常是W/kg；

2)导出限值：与基本限值相应的电场强度、磁场强度和功率通量密度值。对于正常使用时距离在人体 20 cm以外的固定台式发射机产品(如通信基站)，则通过电磁场对人体照射的功率通量密度计算来判定电磁场强度，单位通常是W/m2，或使用电场强度，单位是V/m。

当曝露在多个发射源的多个频段的电磁场中时，应综合考虑电场、磁场、电磁场所致曝露。

根据曝露在电磁环境中的时间的不同，各国针对电磁辐射的公众曝露和职业曝露分别制定了防护限值。职业曝露是指在每天8小时工作期间内，在任意连续6分钟内的平均值。公众照射是指在一天24小时内，任意连续6分钟内的平均值。

由于公众移动通信主要考虑24小时长期曝露的电磁环境，应采用公众曝露限值标准进行评价。图1中对各国一些标准中的电磁公众曝露限值进行了比较。从图中可以明显的看出，在100～3 000 MHz频段内我国环保部制定的公众曝露电场强度限值要比其他国家标准中限值的严格大约2～5倍，我国卫生部制定的标准比环保部更加严格。另外，在手机电磁辐射标准方面，欧美国家的SAR限值也有很大差异，美国采用的头部标准限值为任意1克组织，任意连续6分钟不得超过1.6 W/kg[6]；而欧洲大部分国家采用的SAR限值为任意10克组织，任意连续6分钟不得超过2.0 W/kg[3]，与1998年ICNIRP导则中推荐的值一致；我国《移动电话电磁辐射局部曝露限值》标准中也采用了ICNIRP给出的曝露限值。

图1　100～3 000 MHz频段电磁公众曝露限值比较

2　宏基站电磁辐射评估

2.1多场景基站发射场强评估

该部分首先通过对比终端接收周围基站集总信号功率与最近基站接收信号功率，论证得到，基站集总信号功率最大的情况是发生在终端距离基站最近的场景。之后，将该情况细分为两种场景，分别给出了基站在各运营商、各制式、各频段均发射的情况下，终端处集总接收信号功率值。

2.1.1传输距离与基站集总接收功率分析

多小区仿真场景如图2所示。在中心小区中，用户从小区中心位置(基站近端)向小区边缘移动(基站远端)，收到的同频信号强度可能不同。为分析其规律，进行了相关仿真，仿真参数如表1所示。

图2　多小区仿真场景示意图

参数类型内容基站发射功率/dBm43小区形状规则六边形工作频率/MHz900,1800,2600对应小区半径/m700,400,300基站天线高度/m30基站天线主瓣增益/dB17终端天线高度/m1.5终端天线增益/dB0信道模型ITU-RP.1546

首先论证集总接收功率的情况。3GPP在分析同频干扰时，一般只计算中心小区外相邻两周的基站，再远的可忽略不计，本文采用类似的场景。图3给出了900 MHz GSM网络(小区半径700 m)的基站集总功率与主基站功率占比分析的仿真结果。可以看出用户处于非小区边缘时，接收到的同频信号功率大都来自本小区基站，且距基站越近功率越大；用户处于小区边缘时，接收到的同频信号功率可能多半来自其他小区。但此时集总信号功率远低于在用户在接近本小区中心时的集总信号功率。1.8 GHz，2.6 GHz的其他2G/3G/4G系统具有类似的趋势。

图3　GSM网络基站集总功率与主基站功率占比分析

2.1.2典型最恶劣场景评估

考虑到居民最关心的几种情况，确定以下两个场景：楼顶上有基站，居住在顶层的用户与基站垂直距离约10 m；对面楼顶上有基站，与顶楼上用户存在直射，楼间距约70 m，如图4所示。

a　场景一

b　场景二图4　基站发射场强评估场景示意图

图5给出了两种场景下的仿真结果。假设所有运营商在所有移动通信频段均满功率发送，具体仿真参数见表1。可以看出：场景二中用户受到的基站辐射场强略高于场景一，但两个场景下用户处受到的辐射场强均远低于国家规定的电磁辐射公众曝露限值。值得注意的是，现实中最恶劣场景出现可能性非常小，一方面，基站难以达到峰值发送功率；另一方面，各制式、运营商间对共站址有严格的隔离要求。

图5　基站发射场强评估仿真结果

2.2典型城区各制式基站、终端功率分布对比评估

本节分别对城区典型场景GSM、WCDMA和TD-LTE的基站和终端在距基站不同距离处的功率分布进行了仿真评估。路径损耗模型调整为P.1546模型 ，基站天线按照最大增益17 dB计算。仿真结果如图6所示。结果表明，环境中的电磁辐射水平是基站与手机共同作用的结果，即使在最恶劣的场景下，基站的辐射水平也低于国家标准限值；一般来说，手机离基站越远，接收到基站的有用信号功率越小，所需的发射功率越大；反之，手机离基站越近，接收到基站的有用信号功率越大，所需发射功率越小。

图6　城区典型场景基站场强与终端功率分布图

事实上，基站的辐射覆盖是比较稳定的，而手机则根据通信条件采用了功率控制，从而确保基站能正确接收其发射信号，并达到提高续航能力的目的。另外，一般信号传播损耗与距离的平方成反比，信号随距离的增加而快速衰减，通常情况下，手机离基站越近，信道传播条件越好，手机需要发射的信号功率越小；手机离基站越远，信道传播条件越差，手机需要发射的信号功率越大才能保证与基站正常连通。目前，由于数据通信业务相比话务业务，业务量大幅增长，并且4G基站使用的频段更高，其信号传播距离更短。为满足数据通信业务需求，需要增加4G的基站建设密度，甚至还需补充建设热点基站。因此，一定程度上来讲，4G使用更高的频段，基站密度增加，有助于降低手机发射功率。

3　基站辐射场强测试

为了进一步验证评估分析结果，对2G、3G、4G网络的基站辐射场强进行了实地测试。测试区域位于北京市西城区北礼士路，选取2个测试点，并标记了最靠近测试点的基站位置，如图7所示。

图7　基站与测试点分布图

使用PMM 8053A电磁辐射分析仪与EP-300探头，对100 kHz～3 GHz频段范围内的环境场强进行测试，包含了所有2G，3G，4G频段。每个地点测试6 min，记录平均值。在A-B测试地点测得的场强值如图8所示。从测试结果来看，在测试地点附近的电磁辐射场强值远低于国家标准要求的限值(12 V/m)。

图8　100 kHz～3 GHz频段场强测试结果

4　小结

本文对公众移动通信宏基站的电磁辐射进行了评估与测试研究。通过对比分析发现，在标准方面，我国目前制定的辐射限值较国外现行的主要标准更加严格。从理论仿真与测试工作的结果来看，我国运营商现有移动通信基站的电磁辐射水平低于国家标准规定的电磁辐射限值，同时，保证基站有良好的覆盖，能有效降低手机的发射功率，反而能更有效地降低移动通信电磁辐射对人体的影响。

[1]World Health Organization. What are the health risks associated with mobile phones and their base stations?[EB/OL]. [2015-12-10]. http://www.who.int/features/qa/30/en/ .

[2]Mobile telecommunications and health research programme MTHR Report 2012. [EB/OL]. [2015-12-10].http://www.mthr.org.uk/documents/MTHRreport2012.pdf.

[3]IEEE C95.1?-2005-Safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz[EB/OL]. [2015-12-10]. http://emfguide.itu.int/pdfs/C95.1-2005.pdf. 2005.

[4]World Health Organization. Handbook on Establishing a Dialogue on Risks from Electromagnetic Fields. [EB/OL]. [2015-12-10]. http://www.who.int/peh-emf/publications/risk_hand/en/. 2002.

[5]International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP). Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz). [EB/OL]. [2015-12-10]. http://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf. 1998.

[6]Federal Communications Commission (FCC). OET Bulletin 65-Evaluating Compliance With FCC Guidelines for Human Exposure to Radio frequency Electromagnetic Fields. [EB/OL]. [2015-12-10].http://transition.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Documents/bulletins/oet65/oet65c.pdf. 1997.

[7]Office of Engineering and Technology (OET), Federal Communications Commission (FCC). FCC Policy on Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields. [EB/OL]. [2015-12-10]. http://transition.fcc.gov/oet/rfsafety.

冯岩(1984— )，女，博士，工程师，主要从事无线电新技术研究、频谱管理研究等工作；

王坦(1985— )，博士，高级工程师，主要从事移动通信频率需求论证、规划、兼容分析的研究与评估工作；

杨文翰(1983— )，博士，高级工程师，主要从事频谱工程相关的电磁兼容分析、电磁环境测试等工作。

责任编辑：薛京

Evaluation and measurement on electromagnetic radiation of base stations

FENG Yan, WANG Tan, YANG Wenhan

(TheStateRadioMonitoringCenter,Beijing100037,China)

In this paper, electromagnetic radiation produced by base stations of mobile communications is scientifically evaluated. On the basis of summarizing the related progress of global researches and standards, this paper evaluates and tests the electromagnetic radiation level of macro base stations and mobile terminals in different scenarios by theoretical analysis, simulation and field test. The results show that, at present, the radiation level of base stations is still under the limits of radiation protection demanded by national regulations.

electromagnetic radiation; mobile communication; macro base station; radiation protection limits

TN929.5

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.10.029

国家科技重大专项(2014ZX03002027)

2016-01-08

文献引用格式：冯岩，王坦，杨文翰.移动通信基站电磁辐射评估与测试[J].电视技术，2016，40(10)：147-152.

FENG Y, WANG T, YANG W H.Evaluation and measurement on electromagnetic radiation of base stations[J].Video engineering，2016,40(10)：147-152.