基于正交试验的移动通信基站电磁辐射影响因素分析

2021-03-19张琳吴广芬何水悠汤双超赵苏宁郑玉露

环境技术 2021年1期

张琳，吴广芬，何水悠，汤双超，赵苏宁，郑玉露

（烟台大学环境与材料工程学院，烟台 264005）

概述

在信息化时代的今天，网络需求日益增大，为了提供更优质的网络服务，满足手机信号强度和连贯性的需要，从而扩大基站信号的覆盖面积和强度，加大基站建设规模和密度。与此同时，通信基站的电磁辐射广泛暴露在我们周围，引起了越来越多的人关注基站电磁辐射带来的影响[1]。由于基站建设周围建筑物、地形、地貌、人群密度等各类因素的影响，使得基站电磁辐射强度的分布越来越复杂化。为了对基站天线电磁辐射的影响进行充分的了解，国内外有关这方面的研究和监测工作不断增加[2]，但对于移动通信基站电磁辐射影响因素进行综合优化研究并不多见。因此，对移动基站电磁辐射影响因素进行研究，得到各个因素影响基站电磁辐射大小的主次顺序以及各因素的最佳水平，最终确立电磁辐射值影响最小的布设方案，为今后通信基站的建设提供最优的建设依据。

1 试验过程

1.1 正交试验设计

正交试验设计是一种研究多因素试验的重要数理方法，具有水平均匀性、搭配均匀性的特点，也是对试验因素做合理的、有效的安排，最大限度的减少试验次数，是高效、快捷、经济的方法，因此本文采用正交试验法。

通过总结前人试验研究成果[3-5]，本试验以方向、水平距离和垂直高度这3个因素为对象进行研究（其中水平距离为试验点距基站的水平距离，垂直高度为试验点距地面的垂直高度，下文简称水平距离、垂直高度），根据基站的空间位置和实际测量的可行性，方向取4个水平，水平距离、垂直高度分别取2个水平，进行因素与水平表的设计，具体如表1。选用L8(41×24) 混合正交表，式中“8”为正交表行数（即安排8次试验），“41”为1个因素下设4水平（本试验即方向因素），“24”为4个因素下设2个水平（本试验因只有水平距离、垂直高度2个因素，多出两列空白列作误差项用），具体正交试验设计方案如表2。

1.2 试验指标与结果分析方法

试验指标必须满足能够客观评价试验对象特定性质的要求，而且试验指标必须具有代表性，它直接关系到实验结论的合理性[6]。电磁辐射作为能量流，其所产生的电磁辐射污染现象会对人体健康带来较大的危害[7]。因此将各试验点的电磁辐射值作为试验指标。

极差是指一组数据中的最大数据与最小数据的差，它反映了一组数据的离散程度[7]。极差分析法因简单直观而被广泛使用，该方法是用极差 Rj 来分析各因素对结果的影响程度。Rj越大，相应因素对目标参数的影响越大，重要性就越大。

式中：

ki—第i水平对应指标和Ki的平均值，即ki = Ki/r，其中r为任一列同一水平出现的次数[8]。

1.3 基站电磁辐射检测

1.3.1 检测基站及周围环境

此次试验选取了一座正在使用的并且周围居住和流动的人员较多的基站，该基站为楼顶式基站，位于一栋四层办公楼上，办公楼正北方向约60 m是一栋宾馆建筑，并且该建筑物的高度稍低于基站，居民楼位于办公楼的正东方向50 m以内，流动人员较多的小吃街、火锅店位于正西方位50 m以内，办公楼正南方为一条马路，马路对面南偏东方向约100 m为路，马路对面南偏东方向约100 m为商业街。

表1 因素与水平表L8(41×24)

表2 正交试验方案设计

1.3.2 检测设备

检测设备选自台湾生产，专用于基站测试电磁波的三轴高频电磁波测试仪TM196，如表3。

2 试验结果及分析

根据上述试验方法，得出各试验点测量数据如表4。

根据前文介绍的极差分析法，分别对8组试验所得数据进行极差分析，并将极差分析结果列于表5，同时为了更直观地分析各因素对电磁辐射的影响，根据表5作出各因素对电磁辐射影响的直观分析图，如图1。

从表5及图1中比较不同因素极差值(Rj)，数值相差较为明显（以表5中x轴方向极差值为例，ABC因素极差值依次为4.705、2.062 5、13.127 5）且不同轴方向垂直高度均为它们的显著影响因素，方向、水平距离对电磁辐射的影响相对较弱，但以上3个因素（垂直高度、方向、水平距离）影响作用均在较强水平。在X、Z轴方向，A因素即方向对电磁辐射的影响大于水平距离，但在Y轴方向与XYZ综合情况下，B因素即水平距离对其影响较大，其次是方向。

表3 基站电磁波检测仪指标

表4 正交试验结果（mW/m2）

表5 电磁辐射值极差分析

图1 因素水平趋势图

由表5可以看出，不同轴方向最优布设方案不同，对于方向因素A，其最优水平出现次数为：A4出现3次，A2出现1次，多数倾斜综合考虑，A4为最优水平。对于水平距离因素B，B1出现3次，B2出现1次，根据出现次数的频率，B1为最优水平。对于垂直高度因素C，不同轴方向结论一致，均为C2，因此C2为最优水平。综上所述，可以确定电磁辐射最小的空间位置为A4B1C2，即东方位、距离基站的水平距离为30 m、距离地面的垂直高度为3 m的空间位置处。