TD-LTE移动通信基站对周围环境的电磁辐射影响分析(1).pdf

TD-LTE 移动通信基站对周围环境的电磁辐射影响分析 李建萍李素珍袁玉明魏有权张硕 中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088 摘要 对 TD- LTE 移动通信系统进行了简要阐述， 在对北京市某公司 2012 年建设的 TD- LTE 基站采取后台模拟加载业 务量的方式使基站满功率发射的情况下， 使用 NBM- 550 型综合场强仪对基站周围电磁环境进行了现场监测， 并通过 理论计算进行验证， 分析了 TD- LTE 基站对周围环境的电磁辐射影响。 关键词 TD- LTE; 移动通信; 电磁辐射 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403031 IMPACT ANALYSIS OF ELECTＲOMAGNETIC ＲADIATION AT TD- LTE BASE STATION ON AMBIENT ENVIＲONMENT Li JianpingLi SuzhenYuan YumingWei YouquanZhang Shuo Central Ｒesearch Institute of Building and Construction Co．，Ltd， MCC Group， Beijing 100088， China AbstractTD- LTE mobile communication system was introduced briefly． Under the condition that base station launch in full capacity with the pattern of background simulation loading volume of business in the TD- LTE base station constructed in some certain company in Beijing in 2012，electromagnetic environment was monitored around the base station in- situ with synthetical field strength meter of NBM- 550，and validated with theory calculation to analyze the effect of TD- LTE base station on ambient electromagnetic radiation． KeywordsTD- LTE; mobile communication; electromagnetic radiation 收稿日期 2013 －06 －10 LTE Long Term Evolution 现已成为国际上主流 的新一代移动通信标准， TD- LTE 是时分双工模式的 LTE 系统， 是 TD- SCDMA 的长期演进。LTE 系统以 正交频分复用 OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing 和多输入多输出 MIMO， Multiple Multiple Output 技术为基础， 并在移动通信系统中全 面采用和优化分组数据传输［1 ］。 近年来， 随着移动通信基站的不断建设和人们环 保健康意识的不断增强， 基站天线产生的电磁辐射问 题已引起人们的高度关注。本文通过对 TD- LTE 基 站对周围环境的电磁辐射环境影响进行实测和理论 预测， 以分析 TD- LTE 基站对周围环境的影响。 1TD- LTE 技术特点 作为对 3G 系统的增强， LTE 系统下行链路采用 OFDMA 多址接入方式， 上行链路采用 SC- FDMA 单 载波技术， 同时为了提高峰值速率， MIMO 技术得到 了广泛应用［2- 5 ］。此外，TD- LTE 还具有以下特定的 技术特点 ［6 ］ 1支持多种上下行时隙比例配置， 可根据实际 网络的业务量灵活部署 为了和 TD- SCDMA 系统共 存， 也为了支持不同的覆盖半径， TD- LTE 设计了多种 时隙比例和 GP 配置， 给网络部署带来了很大的灵 活性。 2单双流波束赋形技术充分应用了 TDD 系统 的信道互易 智能天线技术作为 TD- SCDMA 的特色 技术， 在 TD- LTE 系统得到了进一步扩展， 从单流扩 展到双流， 尽管 LTE- FDD 标准上支持波束赋形技术， 但是作为对信道互易性技术的应用， TD- LTE 是最合 适的选择。 3特殊子帧中的随机接入信道可以支持小范围 热点小区覆盖 在 TD- LTE 特殊子帧中， 短 PＲACH 格 式可以在小范围的热点覆盖中应用， 这种格式可以减 少 PＲACH 信道的开销， 提高业务信道的容量。 131 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 2电磁辐射标准 为防止电磁辐射污染， 保障公众健康， 促进电磁 技术的科学运用与发展， 原国家环境保护局先后颁发 了 GB 870288电磁辐射防护规定 和 电磁辐射环 境保护管理办法 国家环境保护局令第 18 号 。按 照上述标准， 在 30 ～3 000 MHz 的频率范围内， 公众 照射标准的功率密度暴露限值为 0. 4 W/m2。 HJ/T 10. 31996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 对单个项目的辐 射贡献量规定 对单个项目的影响必须限制在 GB 870288 限值的若干分之一， 通常取功率密度限 值的 1/5 作为环境管理目标值， 即 8 μW/cm2。 3TD- LTE 基站电磁辐射环境影响实测 3. 1监测技术说明 监测方法 HJ/T 10. 21996辐射环境保护管理 导则电磁辐射监测仪器和方法 和 移动通信基站电 磁辐射环境监测方法 试行 环发［ 2007］ 114 号 。 监测对象 北京某公司 2012 年新建的普天大厦 TD- LTE 基站和中关村科技发展大厦 TD- LTE 基站， 监测时对基站采取后台模拟加载业务量， 使其满功率 发射。监测时间 2012 年 8 月 28 日8 月 29 日。气 象条件 晴， 风力小于 3 级， 环境温度 24 ～27 ℃， 相对 湿度 70 ～84。 监测仪器 NBM- 550 型综合场强仪 仪器检定证书 编号 XDdj2012- 1315， 有效期2012.05.182013.05.17 。 3. 2监测结果 3. 2. 1普天大厦 TD- LTE 基站后台模拟加载监测 结果 监测场景 该基站以抱杆型式架设在 18 层楼顶 平台， 后台模拟加载业务量方式使基站满功率发射， 天线标称发射功率 40 W 单通道 5 W ， 天线增益 15 dBi， 上下行资源配置为2 上2 下， 天线挂高2 m， 与测 试所立平台高差约 7 m， 天线下倾角为 9。 监测布点 在 17 层楼顶平台布设 14 个测点， 见 图 1。受测试条件所限， 监测布点不在天线轴线发射 方向， 根据 TD- LTE 基站天线特性分析， 测点基本处 于天线水平半功率角范围。 图 1普天大厦 TD- LTE 基站现状监测布点 Fig． 1The present monitoring sites for TD- LTE base station on Putian Building 监测结果见表 1。由表 1 可知 实测结果远小于 8 μW/cm2的环境管理目标值; 25 m 后类比监测的电 磁辐射功率密度值呈现衰减趋势， 但 35 m 处监测值 出现异常升高， 可能受其北侧的中央空调管线金属反 射影响所致。 3. 2. 2中关村科技发展大厦 TD- LTE 基站后台模拟 加载监测结果 监测场景 该基站以抱杆型式安装在 17 层楼顶 平台， 后台模拟加载业务量方式使基站满功率发射， 天线标称发射功率 80 W 单通道 10 W ， 天线增益 15 dBi， 上下行资源配置为 2 上 2 下， 天线挂高 2 m， 下倾角为 6。 表 1普天大厦 TD- LTE 基站电磁辐射监测结果 Table 1Monitoring results of electomagnetic radiation of the TD- LTE base station on Putian Building 监测点号距天线距离水平距离/m实测结果/ μW cm －2 1100. 26 2150. 14 3200. 58 4250. 61 5300. 48 6350. 68 7400. 36 8450. 33 9500. 25 10550. 22 11600. 13 12650. 14 13700. 12 14750. 12 231 环境工程 Environmental Engineering 监测布点 在 17 层楼顶平台上沿天线轴向布设 8 个测点， 布点见图 2。 图 2中关村科技发展大厦 TD- LTE 基站现状监测布点示意 Fig．2Present monitoring sites for the TD- LTE base station on Zhongguancun Sci- Tech Building 监测结果见表 2。由表 2 可知 1在天线轴向 上， 电磁辐射功率密度值随距离的增加呈急剧衰减趋 势， 15 m 处的轴向功率密度已小于 8 μW/cm2的环 境管理目标值; 2监测范围 12 m 以内功率密度值较 高， 这是由此距离内监测点位处于电磁波主射波束范 围内， 且距天线距离较近所致［7 ］。 表 2中关村科技发展大厦 TD- LTE 基站电磁辐射监测结果 Table 2Monitoring results of electromagnetic radiation of the TD- LTE base station on Zhongguancun Sci- Tech Building 监测点号距测试天线水平距离/m实测结果/ μW cm －2 1557. 77 2640. 0 31017. 08 4128. 02 5154. 02 6202. 72 7251. 85 8301. 42 注 楼顶平台处基站未开通状态电磁环境背景值为 0. 20 ～ 0. 30 μW/cm2。 实际监测结果表明 TD- LTE 基站天线轴向 30 m 外的功率密度贡献值可以满足 8 μW/cm2环境管理 目标值。 4TD- LTE 基站电磁辐射环境影响模拟计算 4. 1计算模式 根据 DB11/T 7842011移动通信基站建设项 目电磁环境影响评价技术导则 ， 关于微波远场轴向 功率密度 Pd的计算公式为 Pd PG 4πr2 1 式中 Pd为远场轴向功率密度， mW/cm2; P 为馈入天 线端口实际发射功率， mW; G 为天线增益， 倍; r 为天 线轴向上测量位置与天线的距离， cm。 4. 2计算参数 北京市某公司 2012 年新建的 TD- LTE 基站主要 技术参数如下 基站设备 通道数为 2 4 通道， 单通道标称发射 功率为 5 W 普天公司 /10 W 中兴公司 ; 天线设备 长度为 1. 7 m， 天线增益 15 dBi。 北京市某公司新建 TD- LTE 基站系统帧结构如 图 3 所示。由图 3 可知 TD- LTE 系统上下行时隙配 比采用上下行转换周期为 5ms 的 2 上 2 下的配置方 案、 特殊子帧的 3 个特殊时隙 DwPTS、 GP、 UpPTS 采 用 3、 9、 2 的长度配置方案， 其中只有下行子帧和特殊 时隙中的 DwPTS 产生电磁辐射。 鉴于基站发射机工作时的实际发射功率是根据 通信状况自动调节的， 同时为保证基站设备长时间正 常运行， 基站发射机的总发射功率一般设定为不超过 图 3 TD- LTE 系统无线子帧结构 Fig． 3Wireless subframe stucture of the TD- LTE system 331 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 标称功率的 70。该工程 TD- LTE 基站设备为自耦 合系统， 采用电路合路， 不需合路器， 没有插入损耗。 因此， TD- LTE 基站运行时馈入天线端口的实际发射 功率分别为 24. 8 W 和 12. 4 W， 以中兴公司 ＲＲU 设 备为例， 其具体计算方法如下 中兴公司 ＲＲU 设备馈入天线端口的实际发射功 率 单通道发射功率 70 通道数 下行子帧 所占比例 特殊子帧所占比例 DwPTS 长度 特殊子帧长度 10 80 8 4 10 2 10 3 1424. 8 W。 采用远场轴向功率密度计算公式预测天线发射 高度轴线上的功率密度， 起始计算点 至天线的距 离 从 r ＞ 2D2/λ 处开始 D 为天线的最大长度， m; λ 为工作波长， m 。该工程使用的 4 列双极化智能天 线 MOBI 天线 长度为 1. 7 m， 则 TD- LTE 系统远场 轴向功率密度的起始计算点为 27. 65 m。 4. 3模拟计算结果 TD- LTE 基站发射机在实际发射功率情形下， 单 个天线轴向功率计算结果见表 3。 由表 3 可知 新建 TD- LTE 基站发射机在实际发 射功率下工作， 天线轴向 30 m 外的功率密度计算值 均小于 8 μW/cm2的环境管理目标值。 综合模拟计算和实测结果表明， TD- LTE 基站运 行过程中对周围环境电磁辐射影响较小， 天线轴向 30 m 外的电磁辐射功率密度值小于 8 μW/cm2的 环境管理目标值， 不会对周围环境造成电磁辐射 影响。 表 3TD- LTE 基站单个天线轴向功率密度计算结果 Table 3The axial power density of a single antenna of the TD- LTE base station 实际发射功率 不同轴向距离功率密度/ μW cm － 2 10 m20 m27. 65 m30 m40 m50 m60 m70 m80 m90 m100 m 14. 2 W31. 227. 814. 093. 471. 951. 250. 860. 640. 520. 380. 31 28. 3 W62. 4315. 618. 176. 943. 902. 501. 741. 270. 970. 770. 62 注 表中 10 m 和 20 m 处的功率密度值仍采用远场公式计算， 由于近场内电场和磁场的复杂性， 故计算结果为近似值， 仅供参照。 5结论与建议 北京市某公司建设的 TD- LTE 基站对周围环境 的电磁辐射功率密度贡献值随距天线距离的增加而 快速衰减， 天线轴向 30 m 外的电磁辐射功率密度值 可满足 8 μW/cm2的环境管理目标值。 根据 电磁辐射防护规定 中“可合理达到尽量 低” 的原则， 建设单位应合理安排基站发射天线的架 设方式、 位置、 高度、 下倾角等， 以确保基站的水平保 护距离和垂直保护距离。在电磁辐射环境值较高的 地点不得建设基站; 基站室外发射天线周围 30m 内 不得有高于发射天线的敏感建筑物; 对于架设在楼顶 的基站， 应加强通往该楼顶的通道管理， 并在天线处 悬挂警示牌。 参考文献 ［1］王映民． TD- LTE 技术原理与系统设计［M］． 北京 人民邮电出 版社， 2010． ［2］Holma H，Toskala A． et al． LTE for UMTS OFDMA and SC- FDMA Based Ｒadio Access［M］． John Wiley ＆ Sons， 2009． ［3］康剑锋， 廖德山， 刘竞秀， 等． TD- LTE 系统性能综述［J］． 电信 工程技术与标准化， 2010 11 54- 57． ［4］林海． TD- LTE 规模技术试验网现场优化案例浅析［J］． 移动 通信， 2011 9 5- 10． ［5］张水军． TD- LTE 制式 4G 移动通信网络应用研究［J］． 信息通 信， 2012 2 228． ［6］ 3GPP TS 36. 211Evolved Universal Terrestrial Ｒadio Access E- UTＲA ，Physical Channels and Modulation［S］． ［7］王月华， 袁玉明， 周白鸽． WCDMA 基站电磁辐射对周围环境 的影响分析［J］． 环境工程， 2012， 30 1 132- 134． 第一作者 李建萍 1976 － ， 女， 博士， 教授级高工， 主要从事建设项目 环境影响评价及相关科研工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 mccgeia126． com 上接第 130 页 ［7］张玉清． 河流功能区水污染物容量控制的原理和方法［M］． 北 京 中国环境科学出版社， 2001 2- 9． ［8］杨玉峰， 傅国伟． 区域差异与国家污染物排放总量分配［J］． 环 境科学学报， 2001 2 129- 133． ［9］杨玉峰． 污染物排放总量控制系统不确定性分析［D］． 北京 清 华大学， 1999． ［ 10］陈丁江， 吕军， 沈晔娜． 区域间水环境容量多目标公平分配的水 环境基尼系数法［ J］ ． 环境污染与防治， 2010， 32 1 88- 91． ［ 11］陈卫， 方廷健， 马永军， 等． 基于 Delphi 法和 AHP 法的群体决策 研究及应用［J］ ． 计算机工程， 2003， 29 5 18- 20． ［ 12］肖伟华， 秦大庸， 李玮， 等． 基于基尼系数的湖泊流域分区水污 染物总量分配［J］． 环境科学学报， 2009， 29 8 1765- 1771． ［ 13］樊华， 陈然． 基尼系数法在水污染物总量分配中的应用［J］． 安 徽农业科学， 2009， 37 24 11678- 11680． ［ 14］孙郅博． 水污染物总量分配方案的研究［D］． 长春 吉林农业大 学， 2008． ［ 15］熊风， 罗洁． 河流水环境容量计算模型分析［J］． 中国测试技 术， 2005， 31 1 116- 118． 第一作者 薛佳 1989 － ， 女， 硕士， 研究方向为水环境管理、 生态修复 和环境功能区划等。xuejia112 sina． cn 431 环境工程 Environmental Engineering