移动通信基站话务负荷对电磁辐射的影响分析
袁明强    北京电信规划设计院有限公司
【摘 要】移动通信基站周围的电磁辐射水平与基站的话务负荷有密切联系，文章对此从原理上作了分析并进行了量化计算，最后针对GSM和TD-SCDMA系统进行了验证测试，测试结果可作为合理评估移动通信基站电磁辐射环境影响的有益参考。
【关键词】移动通信基站 电磁辐射 话务负荷 GSM TD-SCDMA
1 引言
对于蜂窝移动通信系统电磁辐射环境影响的评估与分析，一般都以基站的最大发射功率为基础进行计算，计算结果通常高于实际电磁辐射水平。GB8702-88《电磁辐射防护规定》对于公众导出限值和职业导出限值则是以平均值的形式给出的。实际上，移动通信系统电磁辐射属于低强度的电磁辐射（<1000μw/cm2），一些研究资料表明，生物体接触到低强度的电磁照射以后，主要表现为一种长期累积效应，可能对机体产生一些负面影响。因此从平均功率（对时间平均）的角度来考察移动通信电磁辐射的水平，既符合国标的要求，也具有一定的现实意义。
由于现有蜂窝移动通信系统采用TDMA、CDMA等多址技术，其平均发射功率与话务负荷是密切相关的。本文将结合GSM和TD-SCDMA的技术特点，对话务负荷与基站电磁辐射的关系进行分析。
2 话务波动对电磁辐射的影响分析
2.1 分析思路
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公式来描述。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。因此，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。
2.2 GSM基站话务波动对电磁辐射的影响
GSM是一个FDMA与TDMA的混合接入系统，即在频域上以200kHz作为一个频点（载波），对于每个载波，在时域上划分为8个时间片（时隙），每个用户呼叫时需要占用一个物理信道，也就是一个时隙，直到通话完，才释放所占用的信道资源。
对于网络中某一个特定的GSM基站，它的小区数以及每个小区的载频数是确定的。以单载频为例，每个载频有8个物理信道，即信道0～7（时隙0～7）。以下分两种极端的情况分别估算小区单载频配置时的发射功率：（1）单载频（设单载频最大功率发射43dBm，即20w），当没有业务时，只有时隙0在发送广播信息，其他7个时隙空闲（无用户），则此时平均发射功率最小：（Pav）min=20/8=2.5w，即机柜顶输出的平均功率为2.5w。（2）单载频，0～7时隙都被占用，不考虑系统的不连续发射、对业务信道功率控制等机制，则此时平均发射功率达到最大：（Pav）max=20×8/8=20w，即机柜顶输出的平均功率为20w。因此，单载频配置下的基站机柜顶输出功率波动范围为2.5w～20w，即34dBm～43dBm。假设综合增益（天线增益减去馈线、接头等相关损耗）为G ，那么天线发射功率的波动范围为（34+G ）dBm～（43+G ）dBm，可知单载频配置下的电磁辐射功率密度的波动范围在9dB以内。根据话务量与信道资源占用关系（ E r l a n g B公式） ， 可以将信道占用映射到话务量（ 假设GoS=2%），则可建立话务量与机柜顶功率之间的关系，
2.2 TD-SCDMA基站话务波动对电磁辐射的影响
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。对于话音业务，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个话音用户，即一个常规下行时隙有8个信道。以下分两种极端的情况分别估算小区单载波配置时的发射功率：（1）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：(864 16) (96 32)0.14256400t− + −= = （1）上式中数值单位为码片，864为常规时隙TS0所包含的码片数，16表示TS0中保护域（GP）所占码片数，保护域不发射功率；96表示DwPTS信道所占码片总数，32表示DwPTS信道保护域所占码片数；分母6400为TDSCDMA子帧所包含码片总数。TD-SCDMA目前一般采用BBU+RRU组网，RRU每通道最大功率为2w，则当没有业务时，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）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：(864 16) 3 (96 32)0.40756400t− × + −= = （2）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： （ P a v ） m a x = （ P a v ）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0.285w～1.1w，即24.5dBm～30.4dBm。
假设综合增益为G ，那么天线发射功率的波动范围为（24.5+G ）dBm～（30.4+G ）dBm。
可见对于在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6dB以内。
根据话务量与信道资源占用关系，可以得到小区单载
3 测试验证
3.1 测试方法
本研究中采用了环保部门电磁辐射测量的常用测量仪器——宽带辐射测量仪EMR-300综合场强仪，在某地移动运营商GSM和TD-SCDMA网中选择典型基站进行了话务负荷对电磁辐射的影响测试。测试基本方法如下：（1）对于GSM系统，在选定站点的小区天线主瓣方向一定距离处（建议10～15米之间），架设电磁辐射测量仪EMR-300，设置ERM-300为自动监测模式，开始进行自动数据记录，并记录测试开始时间；连续测试12小时以上，停止数据记录，并记录结束时间；在EMR-300的浏览模式下，提取数据，并通过网管后台提取被测小区在测试时间段内的话务统计数据，以备分析。（2）对TD-SCDMA基站，考虑测试时用户较少，话务波动性不明显，需通过手机拨打加载产生话务波动场景，在高、中、低负载下分别进行电磁辐射的测试，观察并记录各情况下的电磁辐射水平。
3.2 测试结果
（1）GSM系统测试结果为了体现话务变化对电磁辐射功率密度的影响，对测量时段得到的电磁辐射功率密度及对应时段内被测小区的话务负荷进行关联分析，如图3所示：可见，一天内的功率密度变化趋势与一天内话务量变化趋势大体相同，话务量越大，功率密度相对越大，电磁辐射也越大（但最大值也远低于国家环境管理目标值），这与理论分析的结果是比较吻合的。
（2）TD-SCDMA系统测试结果为了反映话务波动对TD-SCDMA系统的影响，对被测基站进行了加载测试。测试选取到天线不同距离的点，分别在无呼叫、同时4个语音呼叫、同时2个视频呼叫和同时4个视频呼叫4种场景进行电磁辐射的测量，测试结果如表1所示：从表1可以看到，在同一距离，随着负载的增加，话务量增大，功率密度逐渐增大；在天线水平主瓣方向，随着离天线的距离增大，功率密度变小。但即使在高负载时，在主瓣方向距离天线1m的情况下，其电磁辐射水平也远小于环境管理目标值8μw/cm2。这与理论极限分析的结果相差较大，经分析应与TD基站的快速功率控制机制有关：受测试现场条件所限，拨打测试的手机离天线比较近（15米左右），这样在通信过程中，基站通过功率控制，将以较低的功率发射，从而导致电磁辐射水平的下降。
4 小结
本文从理论上阐明了移动通信基站话务负荷对电磁辐射的影响机理，通过系统信道资源的占用，将GSM、TD-SCDMA基站的电磁辐射与其话务负荷联系起来，话务负荷越大，电磁辐射水平越高，电磁辐射水平随话务的波动而波动。通过选择实际基站进行了验证测试，结果表明，移动通信站点周围环境的电磁辐射水平随话务的变化有明显的波动：在低话务时段，电磁辐射水平处于一个很低的水平；而在高话务时段，电磁辐射水平有明显的上升。不过在人经常活动区域，电磁辐射水平在高话务时段仍然是远远低于国家环境管理目标值的。在进行移动通信基站的电磁辐射环境影响分析或评价时，有必要考虑话务负荷的因素，以得到更加科学、全面的评价结果。