TD-SCDMA基站电磁辐射环境影响分析-硕士论文

天津大学 硕士学位论文 TD SCDMA基站电磁辐射环境影响分析 姓名 李军 申请学位级别 硕士 专业 环境工程 指导教师 王晓玲 20090801 摘要 电磁辐射污染已成为继水 气 声 固体废弁物之后又 新的污染源 近年 来 基站的电磁辐射问题已日渐成为人们关注的焦点问题 为此国内的专家学者 对此问题进行了大量的理论计算和实际监测工作 随着移动通信技术的发展 3 G 技术已经开始应用到移动通信行业中 2 0 0 9 国家对中国移动 中国联通和中国电信发放了3 G 牌照 现在以上三家移动通信 公司正在紧锣密鼓的进行3 G 基站的建设 T D S C D M A 是建立在我同自主知识产 权基础上的3 G 技术标准 通过采用时分双工 智能天线等先进技术 大大降低 了天线发射功率和电磁辐射场强 但是 由于智能天线的尺寸比较大 更加引起 了人们对它所发射的电磁辐射的关注 所以 对T D S C D M A 基站的电磁辐射影 响进行分析 确定基站周围电磁辐射场强大小及影响的范围 对于指T D S C D M A 基站的电磁辐射环境影响评价 为管理部门提供理论及科学依据 具有现实的意 义 本文介绍了移动通信技术的发展历史 从T D S C D M A 基站的工程分析入手 结合T D S C D M A 特有的时分双工和智能天线技术 分析了基站天线的最大发射 功率 对基站电磁辐射满足管理限值的区域进行了分析 讨论了在不同天线高度 和下倾角情况下 地面场强和垂直方向场强的变化规律 找出了降低电磁辐射场 强的方法 最后 通过对某些T D S C D M A 基站电磁辐射场强的实际监测 验证 了预测值与实测值在场强大小和变化规律上的相符性 关键词 T D S C D M A 基站 电磁辐射 场强 环境影响 A B S T R A C T E l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o l l u t i o nh a s b e c o m ean e ws o u r c eo fp o l l u t i o ns o u r c e b e s i d e sw a t e r g a s n o i s ea n ds o l i dw a s t e I nr e c e n ty e a r s b a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o nh a sb e e ni n c r e a s i n gt h ei s s u e T h e r e f o r e c i v i la n da b r o a de x p e l s a n d s c h o l a r sh a v ed o n eal o to ft h e o r e t i c a la n dt h ea c t u a lm o n i t o r i n gw o r k W i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 3 Gt e c h n o l o g yh a s b e e na p p l i e dt om o b i l ec o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y C h i n ah a sa w a r d e d3 Gl i c e n s e st o C h i n aM o b i l e C h i n aU n i c o ma n dC h i n aT e l e c o mi n2 0 0 9 a n dt h et h r e e m o b i l e c o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e sa r eb u s i n gi nc o n s t r u c t i n g3 Gb a s es t a t i o n s 3 Gt e c h n i c a l s t a n d a r d so fT D S C D M Ai sb a s e do nC h i n a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t s T D S C D M As y s t e mr e d u c e s t h ea n t e n n at r a n s m i t t e rp o w e ra n df i e l dd e n s i t yo f e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n g r e a t l yb y u s e d t i m ed i v i s i o nd u p l e x T D D s m a r t a n t e n n a s S A a n dt h eo t h e r s a d v a n c e dt e c h n o l o g y H o w e v e r t h es i z e o fS m a r t A n t e n n ai sl a r g e rt h a n2 G S i t Se m i te l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nh a si n c r e a s i n gb e e na m a t t c ro ft h eu t m o s tc o n c e l n I th a sb e e n o fr e a l i t y m e a n i n g f o r g u i d i n g e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to fT D S C D M Ab a s es t a t i o n Se l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o na n dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i se l i m i n a t ef o rt h em a n a g e m e n td e p a r t m e n tb y a n a l y s i st h ee f f e c to fT D S C D M Ab a s e s t a t i o n s Se l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o na n d c a l c u l a t ei t Sp o w e rd e n s i t ya n di m p a c t e da r e a T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n a l y s i s e st h eT D S C D M Ab a s e s t a t i o n Se n g i n e e r i n ga n dt h eu n i q u e t e c h n o i o g yo fT D Da n ds m a r t a n t e n n au s i n go nT D S C D M A I tc a l c u l a t e st h e m a x i m u me l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o w e ro ft h eb a s e s t a t i o na n t e n n a st r a n s m i t t i n g a n dt h ea r e au n d e rt h em a n a g e m e n to ft h er e g i o nl i m i t s a n a l y s i st h es u r f a c ea n d v e r t i c a lc h a n g e so fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o w e rd e n s i t yu n d e rt h e d i f f e r e n t a n t e n n ah e i g h ta n dd e c l i n a t i o na n g l e a n df i n d so u tt h em e t h o dt or e d u c et h ep o w e r d e n s i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n F i n a l l y i tc o n f i r m e st h a tp r e d i c t e da n dm e a s u r e d r e s u i t st h r o u g hm o n i t o r i n gs o m eT D S C D M Ab a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n p o w e r K E YW O R D S T D S C D M A b a s es t a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n p o w e rd e n s i t y e n v i r o n m e n ti m p a c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 巷珲签字日期 讪 7 年7 月猡同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 签字日期 洲降c 7 月 日 导师繇易耋 一期 科年罗月彳日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信技术发展历史 移动通信系统被信产部 运营商 移动通信设备生产厂商和移动通信技术研 究机构划分为第一代 f r i s tg e n e r a t i o n 简称1 G 第二代 s e c o n dg e n e r a t i o n 简 称2 G 和现在正如火如荼建设中的第三代 t h i r dg e n e r a t i o n 简称3 G l G 如现在已淘汰的模拟移动网使用的技术主要叫做F D M A F r e q u e n c y D i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 频分多址 F D M A 技术是把不同的用户分配在时隙 相同而频率不同的信道上 在F D M A 系统中 分配给用户一个信道 即一对频 谱 一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道 另一个则用作反向信道 即移动台向基站方向的信道 这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同 频率的信号 任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转 因而必须 同时占用2 个信道 2 对频谱 才能实现双工通信 2 G 使用的技术主要有两种 T D M A T i m eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 时分多 址 和C D M A C o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 码分多址 T D M A 是以时隙的 不同来区分信道 即把时间分割成周期性的帧 F r a m e 每一个帧再分割成若干 个时隙来收发信号 在满足定时和同步的条件下 基站可以分别在各时隙中收发 各移动台的信号而不混扰 现在T D M A 技术应用最广泛的就是G S M G l o b a l S y s t e mo f M o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通讯系统 系统 C D M A 是基于码型 分割信道 每个移动台分配有一个地址码 而这些码型互不重叠 其特点是频率 和资源均为共享 因此可解决频率和时间资源紧缺的问题 3 G 目前全球共有三种技术标准 北美提出的C D M A 2 0 0 0 C o d eD i v i s i o n M u l t i p l eA c c e s s 2 0 0 0 标准 欧洲和日本提出的W C D M A W i d e b a n dC o d eD i v i s i o n M u l t i p l eA c c e s s 标准和中国提出的T D S C D M A T i m eD i v i s i o nS y n c h r o n o u s C o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 时分同步的码分多址 标准 T D S C D M A 是建立 在我国自主知识产权基础上的技术标准 已经在2 0 0 0 年5 月的I T U T 的 I T U T f o rI T UT e l e c o m m u n i c a t i o nS t a n d a r d i z a t i o nS e c t o r 国际电信联盟远程通信标准化 组 全会上正式成为同际3 G 标准 是I T U 正式发布的第三代移动通信空间接口 技术规范之一I lJ T D S C D M A 集C D M A T D M A F D M A 和S D M A S p a c e D i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 空分多址 技术优势于一体 采用了时分双I T i m e D i v i s i o nD u p l e x i n g T D D 智能天线 S m a r tA n t e n n a s S A 联合检测 软件 第 章绪论 无线电等技术 具有系统容量大 频谱利用率高 抗干扰能力强 适配因特网业 务 适于独立组网 性价比高等突出优势 1 2 电磁辐射的危害 电磁环境是存在于某一特定场所所有电磁现象的总和 它包括自然的和人为 的 有源的 直射波 和无源的 反射波 静态和动态 它是由不同频率的电场 磁场所组成 在自然界和现实生活中 变化的电场与磁场交替在空间传播 当频 率大于l O O k H z 时 电磁波离开导体通过空间传播 这种在空间传播的电磁能量 即为电磁辐射 电磁辐射属非电离辐射 具有的量子能量较小 约为1 0 一 1 0 电子伏特 光子 因此电磁辐射的量子能量不足以引起物质分子的电离 但当非 电离电磁辐射的强度及作用时间达到一定限值时就会产生电磁辐射污染 当频率 l O O k H z 时 电磁场离开导体通过空间传播 这种在空间传播的电 磁能量即为电磁辐射 电磁辐射污染有以下几个特点 a 只有发射机工作时 才产生电磁辐射污染 它们是同步的 b 发射机在发射信号同时也带来了电磁辐射污染 从这种意义上说 有用的 与 污染 共存 这种电磁辐射污染的强度和范围是可预见的 c 电磁辐射污染是物理因素 是个能量流 在传播过程中衰减 d 电磁辐射污染是公众比较关注的一种污染现象 它看不见 摸不着 必须 用相关的仪器测量才能感知 电磁辐射污染使环境质量变差 变坏 由此可能引起两个方面的危害1 2 J a 对公众健康方面的危害 健康效应 b 对电子设备造成干扰或进而引发严重后果 电磁干扰 健康效应可分为躯体效应和种群效应 种群效应不是短时间可以观察到的 可能使人类变得更加聪明 也可能使人类的发展受到影响 躯体效应又分热效应 和非热效应 详见图1 1 2 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 图1 1电磁辐射危害 国外对天线的电磁辐射影响分析研究也起步较早 电磁场理论 电磁兼容和 电磁环境学者 越来越多的注意电磁辐射环境的研究 针对不同的天线应用不同 的方法 建立合适的理论模型并进行理论计算 其主要的计算方法主要有矩量法 有限元法 有限差分法 H a t a 模型 O k u m u r a H a t a 模型 C o s t 2 3 1 H a t a 模型1 3 9 等 为规范电磁辐射的环境影响评价和监测 原国家环保总局制订了 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 H J T 1 0 3 1 9 9 6 和 辐射 环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法 H J T 10 2 19 9 6 并且在2 0 0 7 年工信部和环保部还专门出台了 移动通信基站电磁辐射环境监测方法 试行 随着移动通信行业的发展 我国的一些环保和移动通信行业的工作者也对移动通 信基站的周围的电磁场分布 影响范围和强度等进行了大量理论研究和实际测 量 对基站的电磁辐射影响有了具体的认测9 2 1J 可是 以上研究都是基于2 G 系统的基础上 对于刚刚开始建设的3 G 系统 由于采用了新的一些关键技术 如何对3 G 基站的电磁辐射场强进行预测和测量成为目前亟需研究的课题 第 章绪论 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 4 1 本课题研究的意义 众所周知 电磁辐射污染已成为继水 气 声 固体废弃物之后又一新的污 染源 近年来 随着移动通信事业的迅猛发展 为保证整个网络的覆盖和质量 兴建了大量的移动通信基站 完善了无线信号的覆盖 为社会提供了便捷 优质 高效的通信服务 但同时也加大了环境中的电磁辐射水平 给居民生活和工作带 来了一定影响 已经引起了社会和公众的广泛关注和忧虑 随着3 G 系统如火如荼的建设 由于3 G 系统基站的天线面积比较大 更加引 起公众对基站电磁辐射的恐慌 阻挠建站的事情时有发生 所以3 G 基站的选址 成为难题 对T D S C D M A 系统基站的电磁辐射影响分析 以确定其是否超标及超标的 范围和程度 为基站的选址和防治电磁辐射污染 为管理部门提供科学依据 对 于促进社会和谐 稳定的发展 具有非常重要的意义 1 4 2 本课题的研究内容 1 通过T D S C D M A 基站的工程分析 确定其最人输出功率和天线最大发 射功率 2 通过预测分析T D S C D M A 基站电磁辐射场强满足管理限值的范围 分 析场强在地面及垂直方向的变化规律 3 通过实际监测来验证预测值与实测值的符合性 4 提出T D S C D M A 基站建设选址中应注意的问题 4 第 章T 皿S C D M A 基站工程分析 第二章T D S C D M A 基站工程分析 2 1T D S C D M A 基站工程分析 21 1 基站设备组成 T D S C D M A 基站的主体包括室内单元 B B U 射频拉远单元 R R u 和钾能 天线三部分 其中B B U 为低频的基带信号处理设备 安装在机房内 R R U 为射 频信号处理模块 安装在露天的天线抱杆下部 从B B U 输出的基带信号通过光 缆或电缆传送到R R U 绎R R U 转换为射频功率信号 再从R R U 通过馈线 习惯 称连接跳线 将射频功率信号传送到智能天线 通过天线以电磁波的形式将信号 控射出去 其信号被手机所接收 此为基站发 手机收的方向 称为r 行链路 而对于从手机发 基站收的上行链路 基站天线没有发射电磁波 其收发过程从 略 其中上行与r 行批用一根智能天线 基站系统的附属部件还包括安装天线的 天线塔 机房内的电源柜 空调器及缶f j 电源等辅助设备 摹站的设备组成示意 图见图2 1 21 2 基站工作频率 吲21T D S C D M A 基站设备组成 对于r i d S C D M A 系统 国家划分了总计1 5 5 M H z 的非对称频段 分为主要 工作频段和补充工作频段 主要工作频段为1 8 8 0 1 9 2 0 M H z 和2 0 1 0 2 0 2 5 M H z 补充工作频段为2 3 0 0 2 4 0 0 M H z T D S C D M A 系统单载波占用频带宽度为 第二章T D S C D M A 基站T 程分析 1 6 M H z 按照每5 兆有3 个频点来计算 总共T D S C D M A 可提供的频点有 6 0 9 3 个 在目前阶段 无论设备还是终端厂家实现的产品都只工作在2 0 1 0 2 0 2 5 M H z 频段 因此本工程使用2 0 1 0 2 0 2 5 M H z 的频段 中国2 G 3 G 频段分配 情况见图2 2 匡砸正 亟i 疆 野I 01 7 5 5l 8 l 蛳 8 5 0I 啪1 9 0 0l 咖I 卿2 0 2 咄 罔2 2 中国2 G 3 G 频段分配情况 21 3 智能天线 2131 天线工作原理和结构 T D S C D M A 基站的智能天线有两种工作模式 波束赋形模式和广播模式 在蜂窝移动通信系统中 由于用户通常分布在不同方向 也有用户方向重台 的情况 加之无线移动信道的多径效应 有用信号仅存在一定的空间分布而并 非整个蜂窝小区或者整个扇区 当基站接收信号r 郎在上行链路中 时 来自各个 用户的有用信号到选基站的方向可能不同 当基站发射信号 即在下行链路中 时 可被用户有效接收的也只是部分信号 考虑到七述因素 调整无线的方向图 使其能定向性的发射和接收就非常合适了 这也就是渡柬形成侣c s i nF o r m i n 曲 把这种模式定义为T 作模式p J 智能天线系统在未通话状态时基站仍然需要向扇区内所有用户发送公共控 制信息 并通过小区内不I 司方向的用户返回给基站的信息来判断用户方向和数 量 这种功能要求基站天线的方向图能够均匀地覆盖整个扇区 即广播模式 智能天线r s A l 的基本思想是在基站采用阵列天线自适应的形成多个波柬 分 别跟踪共享同一个信道的州户 并在接收时采H j 空域波束滤波抑制同信道干扰并 将其分离 在下行发射时通过多波束形成使期望用户接收的信号功率最大 而其 他位置上非期望朋户所受到的干扰晟小 智能天线系统在未通话状态时基站仍然 需要向扇区内所有用厂1 发送公共控制信息 并通过小区内不同方向的用户返回给 基站的信息柬判断用户方向和数营 这种功能要求基站天线的方向圈能够均匀地 覆盖整个扇区 即广播模式 而通常提到的波束形成分两种方法 切换波束阵列 S w i t c h i n gB e a mA r r a y 和跟踪波束阵列 T r a c k i n gB e a mA r r a y 对于切换波 束阵列 预先形成一定数量角度固定的窄波束 仅在数字信号处理中采用算泣计 第二章T D S C D M A 基站t 程分析 算出切换到 最优 波束使波束指向期望用户方向 这种方法只能通过低副瓣来降 低干扰 而跟踪波束阵列能够实时形成权值使主波束跟踪期望用户 并在干扰用 户方向形成零陷以提高信噪比 智能天线工作原理见囝2 3 i 墨 争一 图2 3 智能天线上计 酿理 从所覆盖服务区形状 即天线水平面方向性的角度 可将天线分为全向天线 和定向天线 由于基站服务区一般分为3 个扇区 每个扇区采用一根定向天线 全向天线使用很少 T D S C D M A 系统定向天线由水平力向 横向 直线排列 间隔约半个工作波 长r m l 的8 个天线阵元组成 8 阵元在同一个平面上 天线背面为反射板 天线 外形为板状 全向天线的8 阵元排列在一个圆剧上 间隔也是约半个工作波长 天线外形为柱状 对丁定向天线和全向天线 每个天线阵元均由8 个垂直排列的 半波振子组成 每两个振子中心点相互间距约为一个工作波长 天线的电长度 约为8 括12 m 天线的几何尺寸为1 2 0 0 6 4 0 m m 图2 4 和2 5 为智能天线内部 结构和外到图 图2 4 天线内部结构圈2 5 天线外观 第 章T D S C D M A 基站T 程分析 2132 半功率角和天线方向性 半功率角定义天线辐射波束的功率密度降低到最大值方向一半 3 d B 的两个 点之间的角度差称为半功率角 包括水 r 半功率角与垂直半功率角 天线辐射在各个方向有不同的强度 称为天线方向性 天线辐射的电磁场在 固定距离上随角坐标分布的图形 称为方向幽 用辐射场强表示的称为场强方向 图 用功率密度表不的称为功率方向图 J 相位表示的称为相位方向图 一股地 用包括最大辐射方向的两个相百垂直的平面方向陶米表示天线的立 体方向图 分为水平面方向图和垂直面方向图 平行于地面 在波束展大场强最 大位置剖开的图形叫水平面方向图 垂直于地面 在波束场强晟大位置剖开的图 形叫垂直面方向图 天线具有方向性 本质上是通过阵子的排列以及各阵子馈电相位的变化来状 得的 在原理上与光韵干涉效应十分相似 l 扎地会在某些方向上能量得到增强 而某些方向上能量被减弱 即形成一个个波瓣f 或波束讶 零点 能量最强的波瓣 叫主瓣 上F 次强的渡瓣叫第一旁瓣 依次类推 T D S C D M A 系统使用的天线垂直方向半功率角为7 1 水平方向半功率角 为6 5 6 其乖直和水平方向图见图2 6 和图2 7 圈2 6 定向大线垂直面方向性 每阿22 5 d B 2133 天线增益 罔2 7 定向天线水平面方向性 每圈22 5 d B l 天线增益是用来衡亘天线朝一个特定方向收发信号的能力 它是选择基站天 线最重要的参数之一 一爹鎏熟爹 j w 一一 一季 L j 一 2 掌 誊 第二幸T D S C D M A 基站工程分析 天线作为一种无源器件 其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同 功率放大器具有能量放大作用 但天线本身并没有增加所辐射信号的能量 它只 是通过天线阵子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向 天线增益不但 与阵子单元数量有关 还与水平半功率角和垂直半功率角有关 T D S C D M A 基站智能天线的业务波束采用赋形波束 赋形波束天线增益最 大值为2 4 d B 而广播波束不赋形 最大天线增益为1 8 d B 2 1 3 4 天线下倾角 天线下倾角是指定向平板天线的下倾角度 天线下倾是增强覆盖和控制 f 扰 的一种常用重要手段 通常天线的下倾方式有机械下倾 电子下倾两种方式 机 械下倾是通过调节天线支架 将天线压低到相应位置来设置下倾角 而电子下倾 是通过改变天线振子的相位来控制下倾角 电子下倾天线一般倾角固定 即通常 所说的预置下倾 最新的技术是倾角可调的电子下倾天线 这种天线通常称作电 调天线 天线下倾角是指定向平板天线的下倾角度 天线下倾是增强覆盖和控制干扰 的一种常用重要手段 通常天线的下倾方式有机械下倾 电子下倾两种方式 机 械下倾是通过调节天线支架 将天线压低到相应位置来设置下倾角 而电子下倾 是通过改变天线振子的相位来控制下倾角 电子下倾天线一般倾角固定 即通常 所说的预置下倾 最新的技术是倾角可调的电子下倾天线 这种天线通常称作电 调天线 目前T D S C D M A 基站的智能天线一般采用机械下倾方式 或 预置电下倾 机械下倾 方式调节天线的下倾角 而电调下倾角从技术经济角度还不现实 预 置下倾天线的电下倾角度出厂后是固定的 其总下倾角为预置电下倾角与机械下 倾角之和 通过调节天线下倾角 可控制服务区半径 加大下倾角 天线垂直面辐射主 瓣落地点变近 服务半径变小 天线下倾角0 t 的大小一般可按下式计算 0 t a r c t g h R 0 1 2 其中h 为天线对地高度 R 为小区的覆盖半径 0 1 2 为天线 辐射主瓣半功率角2 0 l 2 值的一半 上式是将天线的主瓣方向对准小区边缘时得 出的 在实际的调整工作中 一般在由此得出的俯仰角角度的基础上再加上 1 2 0 使信号更有效地覆盖在本小区之内 对于天线下倾角主要考虑无线环境 天线挂高等因素 郊区 农村 交通干 线等 站间距较大 覆盖远 下倾角大多为O O 6 引2 5 2 7 密集市区等环境站间距 小 如果天线挂高高于周围建筑数十米 则下倾角多在6 0 以上 如果天线挂高 没有明显优势则多为3 0 6 0 本文假定T D S C D M A 基站天线的预置下倾角为3 0 9 第 章T D S C D M A 基站工程分析 6 0 9 0 和1 2 0 2 1 3 5 天线高度 天线的高度由基站所处位置和覆盖距离决定 一般城市基站天线高度在3 0 m 左右比较合理 郊区基站和农村基站在5 0 6 0 m 左右比较合理 但是根据实际 情况和地形的复杂程度 天线高度会有所调整 T D S C D M A 基站天线的高度一 般在3 0 5 0 m 之间 2 8 2 2 T D S G D M A 基站预测参数 2 2 1 天线发射功率 2 2 1 1 天线最大输入功率 T D S C D M A 基站的B B U R R U 设备单通道 一个通道对应于一个功放 一个 天线单元 最大输出功率P 为2 W 3 3 d B m W 由于采用了时分双工 一个扇区 内不论配置一个或多个载波 每个下行时隙都是分时共享基站发射功率 输出到 一个天线单元的所有载波的总功率不超过上述最大输入功率 因此 如果以后数 据业务量增加 需要增加扇区的载波数 也不会增加扇区的最大发射功率 一个T D S C D M A 基站天线含有8 个天线单元 即含有8 个通道 则输入到 天线端口的最大输入功率P 为1 6 W 4 2 d B m W 考虑到天线与射频模块之间的 长度至少为3 m 的 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l 扭所阢则一根智能天线总的最大输入功率为 2 x 8 x1 0 4 1 d a 1 0 1 2 5 9 W 具 体计算公式如下 单通道输入功率为 d B m w 1 0 1 9 P m 1 0 l g 尸 2 0 0 0 3 3 柏所形 一个天线含有8 个通道 则天线总的输入功率为 3 3d B m W 1 0 1 9 8 4 2 d B m W 考虑跳线损耗及插入损耗至少为1d B m W 则天线总最大输入功率 竺二 堡坠 P l O 1 0 1 2 5 9 W I d B 或者直接计算P 2 x 8 x101 0 1 2 5 9 W 2 2 1 2 天线最大发射功率 T D S C D M A 系统综合使用了频分多址 F D M A 时分多址 T D M A 码分多 址 C D M A 和空分多J J I S D M A 多种技术 其示意图见图2 8 l O 第 章T D S C D M A 基站工程分析 P o w e r d e n s f C D g a c o d e s w I I i 萌 E 匕 E 三 篇 E E 二 图2 8T D S C D M A 移动通信摹站的害址方式 在时闯上 T D S C D M A 系统以 帧 为单竹进行信息传输 该系统阻1 0 m s 为一帧 每一帧叉进步分成2 个各5 m s 长的于帧 两个子帧的结构相同 在 一个了帧内 分成3 个特殊时隙D w P T S 下行导顿时隙 G 保护问隔 U p P T S 上 行导频时隙1 和7 个常规时隙 T S 0 T S l T S 6 T S 0 时隙为下行时隙 用 于基站发送广播等公菇控制信道 在多载波配置时 仅在土载波上发送D w P T S 和广播信息 T S 0 等公若信道 T S I T S 6 这6 个时隙用丁承载诸如话音等各种业 务 在业务建立时系统可将用户分配到不同的时隙上 业务发展初期 适应语音 业务上r 对称的特点可采用3 3 t 行 1 Y 的对称时隙结构 数据业务r 手机 上网1 进一步发展时 可聚用2 4 或1 5 的时隙结构 另外 D w P T S 和T S 0 时 隙的广播波束不赋形 仅针对用户的业务波束赋形 在同一时隙内 又可进一步采用码分 即为不同用户 或信道 分配不同的扩 频码的方式来区分用户 或信道 每时隙共有1 6 个码 分信 道 由于基站采用了 智能天线 通过 智能 部分产生多个赋形波束 每个波束跟踪个撇活用户 实 现了空分多址 每个子帧内同一个时隙的不同码道可对应不同的赋形波束 通过 赋彤 主渡束在水平面上的宽度变小 面在垂直面上的宽度不变 即垂直方向没 有赋形 即赋形波束的水平面方位角在跟踪用户 而垂直而下倾角不变 可以看 成二维空间的自动跟踪 而不是立体自动跟踪从图2 8 可知 不同码道的功率密 第 二章T D S C D M A 基站T 程分析 度为相加关系 图2 8 可知 在一个子帧内 基站天线仅在部分时隙发射电磁波 在一个帧 内各时隙的长度 上下行方向等情况见表2 1 表2 1T D 子帧的各时隙情况 时隙名称 时隙功能上行或下行码片长度下行波束赋形 T S O广播信道 下行 8 6 4 其中G P 占1 6 否 T S l T S 6业务信道3 上3 下 I 上5 卜 8 6 4 其中G P 占1 6 是 D w P T SF 行导频时隙下行 9 6 其中G P 占3 2 否 G P 保护间隔 无发射9 6 U D P T S上行导频时隙上行1 6 0 由表2 1 可见 各下行时隙实际有能量发射的码片长度为 T S 0 T S l T S 6 为8 6 4 1 6 8 4 8 D w P T S 为9 6 3 2 6 4 子帧总长度为6 4 0 0 码片 以业务信道最 大上行 下行时隙比l 5 计算 天线天线发射功率P 的取值为 尸 尹 T s o D w P T s P 5 十业务时瞰 1 2 5 9 W x 8 4 8 6 4 5 x 8 4 8 6 4 0 0 1 0 1 3 W 由于T D S C D M A 基站的时分双工技术 D w P T S T S 0 和T S I T S 6 个业务 时隙共享天线发射功率P 则天线下行占P 的7 8 理论上广播信道 下行导频 时隙和业务信道平分发射功率P 广播波束赋形和业务波束赋形都可以达到 7 9 5 W 的发射功率 由于每个业务时隙共有1 6 个码道 则每个业务波束赋形的 发射功率为1 0 1 3 W 8 0 0 10 W 2 2 2 等效辐射功率 朋 P 天线发射功率 与G 天线增益 倍数 的乘积称为E I R P 等效全向辐射 功率 等效辐射功率根据2 1 3 3 可知 基站天线广播波束增益为18 d B 发射功 率为1 0 1 3 W 业务波束赋形增益为2 4 d B 发射功率为0 1 0 W 根据等效全向辐射 功率的定义算出广播波束和业务波束的等效辐射功率P G 分别为5 0 1 6 W 和 2 5 1 w 广播波束的等效辐射功率约为业务波束等效辐射功率的2 0 倍 所以只对 广播波束赋形进行预测 业务波束赋形可以忽略不计 2 2 3 天线垂直方向性函数F 口 2 2 3 1 坐标变换 为了计算预测点方向的天线方向性函数 需要根据天线下倾角 相对预测点 1 2 第 章T D S C D M A 基站1 二程分析 方位角和俯视角 来确定预测点偏离天线主瓣轴向的角度 以发射天线中心点为坐标原点D 建立两个三维直角坐标系O X l 乃z z O X 2 y j Z 2 其中巧轴方向为垂直向下方向 Z 轴方向为水平方向 预测点P 在 O Y I Z I 平面内 与天线中心点的高差 以低于天线中心点为正值 水平距离分别 为Y Z 因此预测点在 y Z I 坐标系的坐标为 以y z 小与天线中心点距离 严O P 天线中心点对预测点的俯视角记为0 有如下关系 s i n O t Y l c o s 0 1 z r 2 1 2 2 乃轴方向为垂直天线反射板方向 在无电下倾时即为天线主瓣轴线方向 与 水平面0 2 1 7 I 的夹角 即天线相对地面的机械下倾角 为岛 X 2 I 2 轴方向分别为 沿板状天线短边和长边的方向 预测点在O X 2 Y 2 2 2 坐标系的坐标 J x 2 Y 2 z 2 两 个坐标系的相互关系见图2 9 腓平方向 勋水骱劬一 I 一 l 阿 J J 一 j P 一 坦 扛 寻 i 上 r 1 威 盹 I 置J h 五 一 l P 点到O X 2 Z 图2 9 天线坐标变换 角以 在O x 2 Y 2 2 2 坐标系 天线中心点对预测点的 俯视角 即天线中心点与预测点 连线O P 和O X 2 2 2 平面的夹角 记为易 有如下关系 第二章T D S C D M A 基站工程分析 上述两种坐标的变换关系为 s i n O y 2 2 3 2 y l C O S O t z l s i n O t c o s g o 2 4 式中妒为乙轴相对乃轴正向的方位角 将公式 2 1 2 2 2 4 带入公式 2 3 2 2 3 2 方向性函数 c o s O 芦i n 0 1 一c o s 0 1 s i n O t c o s 9 2 5 根据天线工程学 对于均匀直线阵 波瓣的电平和方向均有精确 有规律 相对简单的预测公式 只要知道天线辐射主瓣的半功率角2 口 应 即可写出天线归 一化方向性函数 推导过程如下 均匀直线阵的主瓣宽度为 2 0 v 2 5 1 矗 式中鲲为主瓣指向角 d 为阵元间距 力为阵元个数 T D 天线属于边射阵 8 m 9 0 公式 2 6 变为 2 0 1 2 5 1 三n d 经变形整理 公式 2 7 变为 2 6 2 7 第 章T D S C D M A 基站t 程分析 d5 1 0 一 力 l 2 a 2 考虑到七 2 z 从公式 2 8 可得 g 元均匀直线阵阵因子为 k d 2 万曼 旦 允玎 2 0 1 2 E 口 妒 s i n 昙 材c o s 伊 万 s i n 三 翮c s 伊 万 2 8 2 9 2 1 0 讣沪9 0 因此 公式 2 1 0 中c o s c s i n 0 公式 2 1 0 中6 为相邻振子 馈电相位差 对于没有预置下倾角的T D S C D M A 基站天线 萨0 将c o s t p s i n 0 及泸0 代入公式 2 1 0 可得 C 玩驴 s i n 兰 枷呐 s i n 吉 材s i n 秒 将公式 2 9 代入公式 2 1 1 经整理得 2 1 1 w 荆 翥器篇貉 2 1 2 比较公式 2 1 2 中分子及分母括号内的数值 前者为后者的玎倍 后者相 应的角度值较小 考虑到在某一角度a 很小时 其正弦值s i n c t x 并将该函数作 归一化处理 萨0 时方向性函数值 1 式 2 1 2 可近似写为 删州 掣S 1 1 1 器 l b U Z 优 1 5 2 1 3 第 章T D S C D M A 基站工程分析 根据公式 2 1 3 已知基站板状定向天线在垂直面的半功率角2 日 力 其主 瓣范围内的方向性函数可写为 型型呈二堡坐竺 垡 塑 s i n 0 一包 1 6 0 2 岛 2 2 1 4 式中以为天线的电下倾角 根据公式 2 1 4 计算出T D S C D M A 基站天线广播波速在垂直方向不同角 度的增益 见图2 1 0 厂 一 八八l 一 V i 02 57 1 01 21 51 72 02 22 52 73 0 3 23 53 7 加4 24 54 75 05 25 55 76 06 26 56 77 07 27 5 7 78 08 2 晒8 7 波束与垂直方向夹角 图2 1 0 垂直方向天线增益 d B 1 6 如侣侣 佗仲8 6 4 2 0 德霉 第三章T D S C D M A 基站电磁辐射场强评价标准及监测方法 第三章T D S G D M A 基站电磁辐射场强评价标准及监测方法 3 1 评价标准 3 1 1 电磁辐射防护规定 电磁辐射防护规定 G B 8 7 0 2 8 8 3 0 中公众照射导出限值见表3 1 表3 1公众照射导出限值 频率范围公众照射 M H z电场强度 V m 磁场强度 A m 功率密度 W m 2 O 1 34 0O 1 4 0 1 3 3 06 7 矗0 1 7 如 1 钐 j 3 0 3 0 0 0 1 2 2 f 0 0 3 2 2 O 4 3 0 0 0 1 5 0 0 0 o 2 2 7 2 o 0 0 1 7 2 f 7 5 0 0 1 5 0 0 0 3 0 0 0 0 2 7 2 f 0 0 7 3 2 2 注 1 系平面波等效值 供对照参考 2 供对照参考 不作为限值 表中f 是频率 单位为M H z 表中数据作了取整处理 3 1 2 公众总的受照射剂量 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 m T 1 0 3 1 9 9 6 中4 1 规定 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 总的受照射剂量限值 不应大于国家标准 电磁辐射防护规定 G B 8 7 0 2 8 8 的要求 3 1 3 单个项目的影响 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 H J T 1 0 3 1 9 9 6 中4 2 规定 为使公众受到的总照射剂量小于G B 8 7 0 2 8 8 的规定值 对单个项目的影响 必须限制在G B 8 7 0 2 8 8 限值的若干分之一 在评价时 对于由国家环境保护局 第三章T D S C D M A 基站电磁辐射场强评价标准及监测方泫 负责审批的大型项目可取G B 8 7 0 2 8 8 中场强限值的击 或功率密度限值的1 2 其他项目则取场强限值的下1 或功率密度限值的l 5 作为评价标准 3 1 4 T D S C D M A 基站电磁辐射预测评价标准 T D S C D M A 基站为国家环保总局审批项目 但不属于大型发射项目 使用 频率为2 0 1 0 2 0 2 5 M H z 因此预测标准为 电磁辐射防护规定 G B 8 7 0 2 8 8 中 相应公众照射导出限值0 4 W m 2 的1 5 即O 0 8 w m 2 8 0 W c m 2 3 2 监测方法及仪器 3 2 1 监测方法 3 2 1 1 基本要求 监测前收集被测移动通信基站的基本信息 包括 1 移动通信基站名称 编号 建设地点 建设单位 类型 2 发射机型号 发射频率范围