TD-SCDMA基站电磁辐射场强预测研究

中国环境学会  2011年 03月30日
  TD-SCDMA基站电磁辐射场强预测研究
  李军  黄欣
  (天津市辐射环境管理所  13920412615  天津市南开区复康路17号  300191)
  摘 要  TD-SCDMA是建立在我国自主知识产权基础上的3G技术标准,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TD-SCDMA技术不同于传统的2G技术基站,所以对基站电磁辐射场强预测参数的选取成为广大环保工作者一个新的研究对象。本文通过对TD-SCDMA关键技术的分析,对预测参数进行了计算和选取,对于指导TD-SCDMA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。
  关键词  TD-SCDMA  基站  电磁辐射  场强  预测
  TD-SCDMA关键技术
  1. 关键技术
  TD-SCDMA是建立在我国自主知识产权基础上的技术标准,已经在2000年5月的ITU-T的(ITU-T for ITU Telecommunication Standardiza-tion Sector,国际电信联盟远程通信标准化组)全会上正式成为国际3G标准,是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一[1]。TD-SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA和SDMA((Space Division Multiple Access,空分多址)技术优势于一体、采用了时分双工(Time Division Duplexing,TDD)、智能天线(Smart Antennas,SA)、联合检测、软件无线电等关键技术,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。
  2. 智能天线
  智能天线(SA)的基本思想是在基站采用阵列天线自适应的形成多个波束,分别跟踪共享同一个信道的用户,并在接收时采用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用户所受到的干扰最小。TD-SCDMA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(也有用户方向重合的情况),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(即在上行链路中)时,来自各个用户的有用信号到达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。考虑到上述因素,调整天线的方向图使其能定向性的发射和接收就非常合适了,这也就是波束形成(Beam Forming),把这种模式定义为工作模式[2-4]。
  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,并通过小区内不同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。
  场强预测
  1. 场强预测公式
  HJ/T 10.2-1996《辐射环境保护管理导则—电磁辐射监测仪器和方法》[5]中给出了远场轴向功率密度 的计算公式: ( mW/cm2),式中:
    —远场轴向功率密度,mW/cm2;P—发射机平均功率,mW,G —天线增益倍数, ;r —预测位置与天线轴向距离,cm。
  考虑到天线的方向性函数,则远场轴向功率密度 的计算公式修正为: ,式中 、 分别为天线垂直、水平方向性函数,q、j分别为预测位置偏离天线垂直和水平方向主波瓣的角度。
  2. 基站输出功率P的计算
  TD-SCDMA基站的BBU+RRU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2W(33dBmW),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TD-SCDMA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16W(42dBmW),考虑到天线与射频模块之间的、长度至少为3m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1 dBmW,则一根智能天线总的最大输入功率为:2×8×10-(1dB/10)=12.59W,具体计算公式如下:
  单通道输入功率为: = =33 dBmW,
  一个天线含有8个通道,则天线总的输入功率为:33 dBmW+ =42 dBmW,
  考虑跳线损耗及插入损耗至少为1 dBmW,则天线总最大输入功率:
  P= =12.59W;或者直接计算P=2×8× =12.59W。
  3. 天线最大发射功率的计算
  TD-SCDMA系统综合使用了频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)多种技术,其示意图见图2-1。
  在时间上,TD-SCDMA系统以“帧”为单位进行信息传输。该系统以10ms为一帧,每一帧又进一步分成2个各5ms长的子帧,两个子帧的结构相同。在一个子帧内,分成3个特殊时隙DwPTS(下行导频时隙)、G(保护间隔)、UpPTS(上行导频时隙) 和7个常规时隙(TS0,TS1,…,TS6)。TS0时隙为下行时隙,用于基站发送广播等公共控制信道。在多载波配置时,仅在主载波上发送DwPTS和广播信息(TS0)等公共信道。TS1~TS6这6个时隙用于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,适应语音业务上下对称的特点可采用3∶3(上行∶下行)的对称时隙结构;数据业务(手机上网)进一步发展时,可采用2∶4或1∶5的时隙结构。另外,DwPTS和TS0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16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,每个波束跟踪一个激活用户,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。通过赋形,主波束在水平面上的宽度变小,而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,而垂直面下倾角不变,可以看成二维空间的自动跟踪,而不是立体自动跟踪从图2-1可知,不同码道的功率密度为相加关系。
  图2-1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2-1  TD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

TS0

广播信道

下行

864(其中GP16)

TS1~TS6

业务信道

33~15

864(其中GP16)

DwPTS

下行导频时隙

下行

96(其中GP32)

GP

保护间隔

无发射

96

UpPTS

上行导频时隙

上行

160

   
  由表2-1可见,各下行时隙实际有能量发射的码片长度为:TS0、TS1~TS6为864-16=848,DwPTS为96-32=64,子帧总长度为6400码片。以业务信道最大上行∶下行时隙比1∶5计算,天线天线发射功率P的取值为:
  P=P(TS0+DwPTS)+P(5个业务时隙)=12.59(W)×[(848+64)+5×848]/6400=10.13 (W)
  由于TD-SCDMA基站的时分双工技术,DwPTS、TS0和TS1~TS6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7.95W的发射功率,由于每个业务时隙共有16个码道,则每个业务波束赋形的发射功率为10.13W/80=0.10W。
  三、结论
  P(天线发射功率)与G(天线增益,倍数)的乘积称为EIRP(等效全向辐射功率)。
  TD-SCDMA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24dB;而广播波束不赋形,最大天线增益为18dB。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PG分别为501.6W和25.1W,广播波束的等效辐射功率约为业务波束等效辐射功率的20倍,所以TD-SCDMA基站电磁辐射预测时只对广播波束赋形进行计算,业务波束赋形可以忽略不计。
  参考文献
  傅海洋, 蒋伟, 陆素花. 3G移动通信主流标准的比较研究[J].南京邮电学院学报, 2004, 24(4): 62-66.
  陈胜兵, 焦永昌, 张福顺, 等. 蜂窝移动通信基站天线技术研究进展[J]. 西安电子科技大学学报, 2003, 30(6) : 792-796.
  Bruns C, Leuchtmann P, Vahldieck R. Analysis and Simulation of a 1-18GHz broadband double-ridged horn antenna[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2003, 45(1) : 55-60.
  Allen O E, Wasylkiwskyj W. Antenna pattern synthesis in operational environments with electromagnetic compatibility-based constraints[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(4) : 668-674.
  HJ/T10.2-1996, 辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法[S]. 北京: 中国环境出版社, 1996.
   
 
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