TD-LTE移动通信基站电磁辐射环境影响调查与分析

福建省辐射环境监督站 黄 清

近年来，移动通信技术发展迅速，已经从2G网络、3G网络向4G网络过渡。截止到2015年2月，我国移动电话用户总数达到12.9亿户，其中4G用户总数达到1.38亿户，在移动电话用户占比达到10.7%[1]。随着4G混合组网时代的全面到来，我国将掀起新一轮 4G建网高潮。其中，中国移动主导的TD-LTE制式4G基站在2014年底已经达到65万个，预计2015年其4G基站总数将达到100万个。

移动通信行业的迅速发展，也让人们对移动通信基站的电磁辐射问题愈加关注。因此，有必要对目前正在快速建设的TD-LTE基站电磁辐射环境影响进行分析，提高人们对基站电磁辐射问题的正确认识，促进通信运营商和相关管理部门更合理地建设、管理基站。

1 TD-LTE技术特点

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP 组织制定的UMTS 技术标准的长期演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM 和MIMO 作为其无线网络演进的唯一标准。LTE 按照双工方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种，分别称为LTE-FDD 和TD-LTE。

TD-LTE系统为满足LTE对系统容量、性能指标、传输时延、部署方式、业务质量、复杂性、网络架构以及成本等方面的需求，在网络架构、空口高层协议以及物理层关键技术方面作出了重要革新，体现在：

（1）接入网架构方面，采用扁平网络架构，简化网络接口，优化网元间功能划分。

（2）空口高层协议栈方面，通过简化信道映射方式和RRC协议状态，优化RRC的信令流程，降低了控制平面和用户平面的时延；并针对分组数据包传输的特点，通过对资源分配和调度机制进行优化，进一步提升了传输效率。

（3）空口物理层方面，支持可变传输带宽，实现各种场景下对带宽的灵活配置；应用基于OFDM的多址接入技术及其传输方式；引入先进的多天线技术来提升系统容量；优化和提升基于分组域数据调度传输特点的物理层过程。

2 TD-LTE移动通信基站电磁辐射执行标准

TD-LTE基站移动通信网所用频段为 2300MHz、2600MHz，根据《电磁环境控制限值》[2](GB8702-2014)，在30～3000MHz的频率范围内，公众暴露控制限值为等效平面波功率密度0.4 W/m2。

根据《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》[3]（HJ/T10.3-1996），公众总的受照射剂量包括各种电磁辐射对其影响的总和，即包括拟建设施可能或已经造成的影响，还要包括已有背景电磁辐射的影响。为使公众受到总照射剂量小于GB8702-2014的规定值，该导则对单个项目的电磁辐射影响设置了管理限值。对于移动基站，通常取GB8702-2014规定的等效平面波功率密度限值的1/5作为环境管理目标值，即0.08W/m2。

3 电磁辐射理论计算

3.1 计算模式及参数

根据《辐射环境保护管理导则 电磁辐射监测仪器和方法》[4](HJ/T10.2-1996)，微波天线远场主瓣轴向功率密度计算式即该导则之(4.8)式，结合天线工程学中天线方向性函数，基站天线辐射功率密度S的计算公式为：

式中，P为天线的发射功率(W)；G为天线增益（倍数）；F(θ,φ)为预测点方向的天线归一化方向性函数值，θ为垂直面上与天线轴向的夹角，φ为水平面上与天线轴向的夹角；r为预测点至发射天线中心点的距离(m)。

天线正前方（即φ=0°）的方位辐射强度最大，因此仅对φ=0°的方位进行预测计算。

基站设备通道数为8通道，单通道的标称功率为5W/通道；天线设备长度为1.2m，天线增益15dBi。

TD-LTE系统上下行时隙配比采用上下行转换周期为5ms的“1上 3下”的配置方案，特殊子帧的 3个特殊时隙DwPTS、GP、UpPTS采用10、2、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。因此实际产生电磁辐射的时间占比为：3/5+1/5×10/14=0.743=74.3%。

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，实际环境中重叠覆盖避免同频干扰，基站发射机的总发射功率一般设定为不超过标称功率的40%。

基站设备天线与射频模块之间直径1/2英寸的连接跳线(馈线)，跳线损耗及插入损耗至少为1dB。

综上所述，天线发射功率为：

P=5W/通道×8通道×40%×74.3%×10-1dB/10=9.5W

TD-LTE基站天线计算参数见表1。

表1 TD-LTE基站天线计算参数

3.2 理论计算结果分析

根据公式(1)和表1，计算天线正前方垂直面功率密度空间分布可知，远场区移动通信基站对环境的电磁辐射贡献随距离的增大而减小。对于单网架设的TD-LTE通信基站，在距离天线主瓣轴向17.2m 处或低于天线底部2.1 m处，电磁辐射功率密度值已衰减到单个移动通信基站产生对环境电磁辐射场的贡献 0.08 W/m2，不会对更远处的环境保护目标造成影响。

4 TD-LTE基站电磁辐射监测

4.1 监测对象

本研究选取福州、泉州和宁德三市共 68个单网建设的TD-LTE基站。

4.2 监测仪器

德国Narda公司生产的NBM-550型综合场强仪，配备EF0391型探头，响应频率为 100kHz~3GHz，量程为 0.2～320V/m(0.0001～270W/m2)，最低检测限为0.2 V/m（0.0001 W/m2）。

4.3 监测点位的选取方法

根据《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》[5]的规定，基站电磁辐射水平现状监测点位优先布设在公众可以到达距离天线的最近处，原则上设在天线主瓣方向内，针对基站的每个扇区。重点监测发射天线主瓣方向上不同距离、不同高度的室内外及地面人群活动场所（即敏感目标），如居住、医疗卫生、文化教育、科研、行政办公等为主要功能的区域。防护区内如有敏感目标，通过巡测找出辐射水平较高的测点，如无敏感目标，在天线前方50 m内选取代表性监测点。点位选择应设法避免或尽量减少周围偶发的其他辐射源的干扰。

4.4 监测时间、频次及环境条件

监测时间选择1天内的8:00~18:00。天气条件为无雪、无雨、无雾、无冰雹。每个监测点位进行连续5次电场强度的测定，每次测定时间不少于 15s，并读取稳定状态下的最大值。

4.5 典型基站电磁辐射监测结果

选取2个不同架设类型的基站作为典型基站，对其监测结果进行具体分析。其中，1号基站以美化天线形式架设在某居民楼五楼楼上，天线挂高17米，在其天线主瓣方向21m处是一栋8层居民楼A号楼。2号基站以地面塔形式架设路边，天线高28米，周边100米范围内无敏感目标。2个典型基站的监测结果见表2。

表2 典型TD-LTE基站现场监测结果

续表2

由表2可知，随着监测点与天线垂直距离或水平的增加，等效平面波功率密度减小，其测值范围为 0.0001～0.0069 W/m2，2个典型基站的电磁辐射测值均低于单个项目环境管理限值。

4.6 监测数据汇总分析

按照上文所述方法，对68个基站共380个监测点位的监测数据进行汇总，形成功率密度测量值频数分布统计，见表3。由表3可知，80.89%的站点等效平面波功率密度小于0.0100 W/m2，97.06%的监测点等效平面波功率密度小于0.0400 W/m2，所有监测点测值均低于单个项目环境管理限值（0.08 W/m2）。

表3 TD-LTE基站功率密度测量值分布统计

5 实测结果与理论计算结果对比分析

实际监测的380个监测点中，与天线水平距离小于17.2m且垂直距离小于2.1m的测点共13个，这13个监测点的等效平面波功率密度范围为 0.0011~0.0614W/m2，均低于单个项目环境管理限值（0.08 W/m2）。理论计算结果较实测结果偏保守，主要原因在于实测基站电磁辐射受天线架设方式、地形地物、话务量、温度、湿度及大气环境等多种因素影响[6]。

6 结论

上述模拟计算和对已运行基站的实测结果表明，在选址合理的前提下，TD-LTE基站对周围环境敏感目标的电磁辐射环境影响较小，基站产生的电磁辐射能满足单个项目贡献管理限值（0.08 W/m2）的要求。

尽管本次调查的TD-LTE基站环境电磁辐射水平均符合要求，但从尽可能消除电磁辐射影响，让更多公众支持基站建设的角度，提出以下建议：

一方面，建设单位在新建基站规划与选址中充分考虑环保要求，针对不同区域和保护目标的分布特点，合理选择基站位置及发射功率、载频数、发射天线下倾角、架设高度、朝向等。

另一方面，建设单位应及时向公众公布环保监测数据，加大基站电磁辐射影响科普知识宣传，消除公众的不必要误解和恐慌。

[1]工业和信息化部运行监测协调局.2015年2月份通信业经济运行情况[EB/OL].工信部网站

[2]电磁环境控制限值(GB 8702-2014) [S].北京：中国标准出版社，2014.

[3]国家环境保护局.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(HJ/T 10.3-1996) [S].北京：中国环境科学出版社，1996.

[4]国家环境保护局.辐射环境保护管理导则 电磁辐射环境监测仪器和方法(HJ/T 10.2-1996) [S].北京：中国环境科学出版社，1996.

[5]国家环境保护总局.移动通信基站电磁辐射环境监测方法(试行)[Z]，环发[2007]114号.

[6]张海鸥，潘超，夏远芬，等 移动通信基站电磁辐射时空分布及衰减特征[J].电力环境保护，2009，25(4)：57.