GSM和UMTS通信基站电磁辐射暴露于公众的测量和估2.doc

GSM和UMTS通信基站周围电磁辐射的测量和估计(译文) Chr. Bornkessel, M. Schubert, M. Wuschek, P. Schmidt/著 湘潭大学信息工程学院 何晴晴/译内容摘要：这篇文章概述了德国移动通信研究计划结构中的两种方案。在这两种方案中，分别利用测量和估计方法检测公众在GSM和UTMS基站附近的辐射情况，并综合分析出不同基站周围的磁场分布情况。关键词：基站 GSM辐射 UTMS辐射 测量 估计一、简介这篇文章概述了利用测量和估计方法两种方案检测一般公众暴露在GSM和UTMS基站的情况，并综合分析不同基站周围的磁场分布情况。对基站周围电磁场空间和时间的小尺度变化研究有利于找到合适的测量方法。这篇文章的研究的核心是合适的测量方法;其中有关测量的时间和空间的平均辐射值也可得出，另外，还提供了结合GSM/.UMTS基站的综合测量结果。再是研究影响辐射的几个重要因素如距离，主波瓣的方向，周围环境等。接着对GSM和UMTS来自相同基站的辐射情况进行比较。最后，对几个在市场上有售的模拟辐射估计工具做一个适当的测试。一个有效的估计方法应包括基站所提供的不同安装情况和使用条件，模拟电磁场的结果与测量结果进行比较。二、测量方法A、空间和时间的变化 电磁场在移动电话基站周围表现出在空间上有小范围的变化。这些变化主要来自多径传播引起的快衰落。深度（极大值和极小值）变化通常为10分贝，但是也可能达到20-30分贝。因此，如果只在一个固定点尤其是室内固定点测量一个空间内的电磁辐射平均值或最大值是不具有代表性的。 除了空间变化外，磁场在时间上也表现出或大或小的变化。这些影响主要来自于功率控制机制以及DTX（不连续发送）机制。因此，要测量一个基站的辐射在时间上的平均值或最大可能值，在一个固定点的瞬间测量也是不具有代表性的。 德国关于磁辐射的指导方针联邦排放控制法案126法令1，要求在一个最大辐射点进行测量，后期处理要在最大电场强度下进行，另外测量必须在基站最大功率运行状态下，否则，则要求推导出相应的最强功率情况。 考虑到这些要求，对空间和时间的最大辐射量的合格测量技术必然要迅速发展。B、空间最大化测量空间磁场辐射最大值有三种测量方法可以使用,分别是：扫描法，旋转法，栅格法2。采用这三种方法分别进行测量时，特别注意对于栅格方法,采用足够数量的栅格点，则这三种方法经过研究得出的结果都相似。考虑到耗时性和实用性，假设测量是实时情况下而不仅仅是在现场条件，扫描法是最有效的，应该优先考虑。常用于测量辐射的天线是双锥或偶极天线,各向同性天线,和对数周期天线。然而，当电磁波从不同的方向撞击，像对数周期天线这样的定向天线，理论上来说对不在同一视野内的情况有所不足，测量人员对低指向性天线的测量结果会有很大的影响。在某些地方这些影响可达到10分贝，必须列入不确定因素考虑，对于对数天线,这种影响低于0.3分贝。C、时间最大化 在磁场中最有效取得某时刻最大磁场的方法就是提取恒功率信道的辐射，通过基站的最大可能传输功率与信道的关系，依此推导出最大可能辐射。例如结合最大可能信道数，再利用频谱分析仪对GSM的广播控制信道进行辐射测量。 至于UMTS，频谱分析不行，因为从频谱中无法得到UMTS的负载量。然而，UMTS的P-CPICH公共导频信道是恒功率传输。为了提取他的辐射量，必须使用有代码选择器，这三种设备（Rohde & Schwarz的RFES和TSMU软件、或者频谱分析仪作为射频前端、Narda SRM-3000）可测量出比率，精确度、绝对值和相对动态、线性度、再现性、测量不确定性等。他们都适合精确的UMTS测量，尽管必须进行一些预先处理，例如要满足清除速度，测量模式等。D空间和时间平均测量 例如，假如为了流行病学的研究，而不是最大辐射要求，但是还是要求UMTS进行空间和时间的平均值、频谱测量，由于负载量原因，PCPICH（公共导频信道）的代码选择性测量不会考虑暂时性变化。对于频率选择性测量来说，频谱仪的正确设置是非常重要的。总结如下表所示：检波方式分辨带宽扫描时间GSM峰值检波或有效值检波200kHz100ms(对RMS检测器)UMTS有效值检波5MHz100ms表1. 正确的通信频谱分析仪频谱设置三、测量结果A、辐射数据下列测量是在以下环境中;(1) 低基站，乡村环境(2) 高基站，乡村环境(3) 商业区基站(4) 低基站，城市环境(5) 高基站，城市环境(6) 超高位置(7) 室内覆盖基站(8) 覆盖足球场基站(9) 覆盖展览厅基站(10) 覆盖微微蜂窝基站(11) 屋顶基站，暴露于整个楼房下面 测量时，尤其要注意同时有GSM和UMTS系统存在基站的地方或有相同或相似的定位方向。 运用扫描方法推测到的最大运行状态进行测量。测量点应选择不同距离，视线，定向以及基站垂直倾斜角。 图1显示的是测量GSM和UMTS在十一个位置的辐射最小/最大范围。联邦环保条令（BimSchV）第26条电场强度的辐射限度相当于ICNIRP导则GSM和UMTS电场强度百分比水平。图1 11个地方调查的辐射范围（电磁场强度对比98年ICNIRP导则百分比） 最高和最低暴露范围之间的最大跨度整个高达60db。UMTS的中值为暴露极限的0.72%，GSM为1.75%。从图1来看，由蜂窝大小和通信传输功率，不能得出结论。在微蜂窝小区情况下可测得它有最大辐射值，虽然它有相对小的传输功率（室内覆盖，场景7和8），但是由于安装在天花板下面，导致距离人很近。类似的影响也可以在低天线架下观察到（场景4和10）。从超高位置安装的基站可以看出，安装非常高的天线通常有比较低的辐射，这种天线覆盖的面积比较广传输功率也比较大，但是从测试数据可看出有比较低的辐射。B、影响辐射的主要因素由于测量出的辐射值有很大差异，甚至有时是在同一地点，这使我们很有兴趣研究影响辐射的因素。其中的一个重要因素就是与基站的距离。图二是UTMS所有测试点的辐射情况，我们可以得出，基站的户外场景不适合作为权衡辐射情况。究其原因是，在这个距离范围内，辐射量受旁瓣和垂直天线的空值模式影响，因此表现出不规则的特性。然而，就建筑物的室内覆盖而言，辐射随距离增加不断减少的趋势可以观察得出，只是天线图的方向性较弱。图2. UMTS根据距离的辐射情况还有一个更重要影响辐射因素就是主波瓣方向宽度，这种主波瓣能用该基站到测量点的垂直角表示，图3为UMTS不同角度下的辐射情况。可以明显的看出，在调查中垂直距离范围的小角度（-6到10之间，例如在标准下倾角）辐射平均值（尽管更高的平均距离）高于在更大垂直倾斜角的辐射。 另外，测量条件也对辐射有很大的影响，像建筑物，树，灌木，以及室内的墙壁等也有一个减弱的作用。辐射量的减少依赖于物体的衰减特性，这源自于一个这样的问题，信号是否能够到达测量点并反射到周围的建筑物或墙壁。C、GSM和UMTS辐射情况比较比较GSM和UMTS来自同一个基站的辐射情况，GSM明显辐射更强，就功耗限制而言，85%的GSM辐射点高于UMTS。主要有以下的几个因素：n GSM安装的传输功率通常高于UMTSn GSM 900的垂直主波瓣比GSM 1800/UMTS 的更高，导致更多地方在基站的主波瓣范围内或周围。n GSM 900的辐射限值比GSM 1800/UMTS 的低。 图3.UMTS根据垂直角测量的辐射情况（相对于ICNIRP98年电磁场水平）四、计算方法A、调查软件这篇文章中不仅研究了测量方法还有计算方法。尤其是对市场上的一些商业软件进行了比较，他们声称能够准确预测出GSM和UMTS基站周围的辐射值。2表格为调查软件。表2.调查的商业软件B、输入参数 对基站天线形状应给予特别重视，因为天线是产生磁场辐射的主要原因。测量结果显示，基站天线的辐射强烈依赖于频率（尤其在频带GSM1800中）、近距安装、电气设备、天线下倾角。在天线制造商提供的原始模型下进行仿真，它将只代表一种操作频率，安装类型，和下倾角。为了预测辐射值时更加灵活，一种综合只要输入参数的天线辐射模式就出现了，它能包括天线的所有可能状态，其中一些整合的地形和建筑物数据保存在软件中，会自动的生成计算方法。C、程序评价将软件应用于几个真实的环境中与测量的结果进行比较。图4显示的GSM视距情况下估计与实际测量之间的区别，图5描述的是UMTS非视距下的测量。如果测量结果范围估计在3分贝之间（典型测量不可靠）时这种估算认为是与测量值是一致的。图4.GSM在视距情况下估计结果图5.UMTS在非视距条件下估计 总得来说，在视距情况下所有的项给出了一个较一致的辐射预测。然而，需要注意树对传播路径影响，因为他们可能导致高估610dB的误差。简单的自由空间模型（除反射的外另外再加3dB）也很适合这些情况。 相反的，这种自由空间加3dB 的方法不适合非视距的情况。应该得到估计值后再高估10-60db与测量辐射相比。建筑物是必须考虑在内的，其他的方法从基站到主波瓣覆盖面积范围内给得出了较理想的预测结果（场景8和10存在较大差距，由于高估了天线的辐射区域）。5、总结和结论 在现场测量辐射情况下，GSM和UMTS模式的辐射测量值可能会有小范围的不确定（）和高重复性（1.8db），但需要测量人员高水准的射频技巧和意识。在GSM和UMTS基站周围，典型的时间和空间下最大的辐射值基本上要比ICNIRP导则强度极限值低2%，在少数情况下也会超过10%。横向距离还不能被证明对辐射有很大影响，主波瓣方向以及可视条件对于辐射有很大影响。在大多数情况下，安装有GSM和UMTS系统的基站周围，GSM的辐射较大。在缺少实际测量的情况下，尽管地形和建筑物的考虑往往会使得仿真变得非常复杂，但数值仿真是一种预测辐射有效的方法，简单的空间途径在最差的研究情况或者直接的基站附近是适合的，但是在非可视情形下，对实际辐射值10dB的过高估计限制了他们在准确性3。 参考文献：1 26. BImSchV. 26. Ordinance implementing the Federal Immission Control Act, BGBl. 1996 part I No. 66, 20 December 1996.2 Ryser H. Measuring campaign for t