根据建设资源节约型、环境友好型社会的要求，工信部和国资委联合发布了《关于推进电信基础设施共建共享的紧急通知》(工信部联通[2008]235号)，要求新建铁塔、杆路必须共建，已有铁塔、杆路必须开放共享。

基站的共建共享能够节约土地、能源和原材料的消耗，提高电信基础设施的利用率。但与此同时，基站铁塔的共建共享使得天线产生电磁辐射相对集中了，将会增加单一物理站址周围环境的电磁辐射水平。基站的共建共享主要涉及到2G (GSM、DCS、CDMA1X)和3G(TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA)相互之间的共建。目前国内对基站共建共享的研究主要集中在发展策略^[1]、政策研究、实现方案^[2]、存在的问题与建议^[3]、监管策略^[4]等，但对于共建共享基站的空间电磁辐射分布及其叠加影响和对智能天线(TD-SCDMA)的预测分析尚不成熟，有必要在此方面开展有益的探讨。

1 非智能天线系统的预测模式 1.1 预测模式

从环境保护角度出发，移动通信基站对周围敏感点的有害影响(超过国家相关标准)主要集中在能直视天线的较小空间内，2007年由国家环保总局和信息产业部联合制定的《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》^[5] (试行)中规定对基站的监测范围是发射天线为中心半径50m内。在此范围内，基站电磁辐射水平的衰减以自由空间损耗为主。在使用传统非智能天线的通信系统(例如GSM、CDMA One、CDMA2000、WCDMA)中，基站电磁辐射的计算主要依据国家环保局发布的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》中关于微波远场轴向功率密度计算公式(自由空间) ^[6]，具体见式(1)。

(1)

式中: S—功率密度，μW /cm²; P—发射机平均功率，W; G—天线增益，(倍数); r —测量位置与天线轴向距离，m。

但在实际应用中发现，(1)式只能反映基站天线轴向预测结果，天线轴向是天线的最大辐射方向，将此结果直接用于基站周围环境影响预测，结果将偏大较多。为了更好反映基站天线对周围环境任意一点的影响情况，必须在式(1)的基础上乘上一个随方向角(包括水平与垂直两个方向)变化的方向函数^[2]，如式(2)。

(2)

式中f² (θ，Ø) —天线归一化功率方向函数(在天线轴向时，其值等于1); f(θ，Ø) —天线归一化场强方向函数; θ，Ø—分别为预测点与天线轴向在垂直和水平方向的夹角。

因为GSM、CDMA、WCDMA等系统的工作原理和功率控制均不相同，为获得与实际更接近的预测结果，在使用式(2)需注意分析各系统的功率控制，获得较准确的平均发射功率。

2.2 方向函数的拟合

对于特定的天线类型，其天线的波瓣图是确定的。在对移动通信基站进行环境影响评价时，移动公司一般只能提供发射天线的部分参数，如型号、归一化场强方向图、半功率角等，但无法提供天线方向函数，从而无法直接应用式(2)进行详细的预测。因此，有必要对各类型天线方向图进行拟合。

由于移动公司采用的天线类型较多，方向图形状差异较大，而移动通信基站对周围环境的影响主要集中在主瓣方向内，因此从简单、实用的角度出发，主要针对天线的主瓣进行拟合。通常用半功率角来表征主瓣宽度。在选择拟合函数的过程中，利用均匀直线天线阵方向函数^[7]能较好地对移动通信基站的天线主瓣进行拟合。根据方向图乘积定理，阵列总方向图等于基本单元的方向图与阵列因子相乘。我们以半波对称振子为基本单元，构成N × M × K三维立体阵列，通过改变N可以控制垂直半功率角，通过改变M可以控制水平半功率角，通过改变K可以控制天线波瓣的前后比，用于反映实际天线后向挡板将后向发射的电波反射回前向的作用。

经推导可得出其方向函数一般表达式为:

(3)

实际拟合中我们取K = 2，上式可化简为:

(4)

其垂直方向函数(Ø = 0°时)和水平方向函数(θ = 90°)分别为式(5)和式(6) :

(5)

(6)

表 1列出了不同半功率角度时所需的拟合系数N和M。

具体拟合过程如下:某基站天线型号为FX-X-CDG － 15 /17-65-00T，其垂直半功率角为15°、水平半功率角为65°。查表知可取N = 7，M = 8进行拟合。图 1分别给出了经过本方法拟合后得到的垂直和水平方向图，图中灰色填充部分是拟合结果，实线部分为厂家提供的实测方向图。通过比较，拟合方向图与天线厂家提供的主瓣宽度基本上是一样的，总体拟合效果较好。

3 智能天线系统的预测模式

TD-SCDMA系统宏基站一般使用的是智能天线，智能天线阵的阵元个数通常为4-16个。目前系统中用得比较多的是8个阵元振子构成的天线阵。智能天线每个天线阵元物理特性完全一样，因而单天线波瓣图具有非常相似的特征。多个天线阵元以一定的间距排列成天线阵列。再通过算法对各个天线阵元的信号(包括振幅和相位)进行控制，最终形成具有方向性的下行波束。

TD-SCDMA系统的一个子帧由7个主时隙(TS0TS6)和3个特殊时隙组成，总时隙为5000μs。3个特殊时隙分别是下行导频时隙(DwPTS，75μs)、上行导频时隙(UpPTS，125μs)和保护时隙(G，75μs)构成。主时隙中，TS0必须是下行广播时隙，而TS1在一般情况下是上行时隙。TS2-TS6既可以是上行时隙，也可以是下行时隙，根据所传输的业务(对称与不对称)种类来决定。

3.1 下行业务电磁辐射水平计算

CDMA系统是干扰受限系统，对功率采取必要的控制可以有效地限制系统内部的干扰电平，同时也可克服蜂窝系统的“远近效应”和减小UE的功耗^[8]。

当只有单个用户时，基站的瞬时电磁辐射量计算公式为:

(7)

式中: P_em为第m阵元的发射功率，单位W; P_t为智能天线总的发送功率，它等于各阵元发射功率之和，(W); M为阵元的数目; G_v为每个阵元的增益; G_H为赋形增益; r为接收点至发射天线相位中心的距离，m。

为了尽可能地使预测结果与实测结果接近，式(7)中P_t的选取是用户对智能天线实际所需的总的发射功率，它可以通过移动通信无线链路系统方程进行计算^{[9, 10]}，具体见公式(8) :

(8)

P_r是接收机灵敏度，它等于接收机背景噪声+噪声系数-处理增益+要求的Eb /(N₀ + I₀); M为余量，它等于干扰余量+功控余量+阴影衰落余量; L为各种损耗，它包括发射机和接收机与天线之间的连接馈线损耗+人体损耗+穿透损耗; G为各种增益，它等于发射机和接收机天线的增益+赋形增益+切换增益，L_p为空间电波传播损耗。

dBm与W的关系为:

(9)

空间电波损耗计算有许多模型^{[11, 12]}可以利用，从简单易用和相对准确的角度出发，可选用Cost231 Hata模型计算空间传播损耗L_p:

(10)

式中f为发射频率，MHz; h_b为基站天线高度，m; d为移动台到基站发射天线的相位中心的距离，km; c为区域校正因子，在密集地区、城市、郊区、农村的值分别为13dB、0dB、-12dB、-27dB。

表 2是密集市区不同业务下行链路的相关参数表^[10]，将表 2相关参数代入式(8)可获得各业务信道或是广播信道所需的发射功率。

根据GB8702-88《电磁辐射防护规定》的要求，电磁辐射量计算的不是瞬时值，而是在任意6min内的平均值，因此要把瞬时值折算成平均值。根据TDSCDMA系统的帧结构，总的用户下行平均电磁辐射水平应为:

(11)

式中U为每个小区天线支持的单业务用户数(1个业务时隙最多只能有8个12.2kps语音用户或2个64kps用户; 1个128kps用户占用2个时隙，1个384kps用户占用4个时隙)，T_U为某一业务类型时下行用户所占时长，T_Total为子帧总时长。

在应用式11时，U需根据环境敏感点的预计用户数量、所需载波数和所用业务类型来确定。如果从简化、环保角度(极端情况)出发，可假设各用户集中在同一个方向上、业务相同、衰落相同来进行计算。

3.2 下行公共信道电磁辐射水平计算

TS0和DwPTS采用的是广播波束(波束宽度很宽，以保证小区全方位有效覆盖)，根据前述分析，在较小的可视范围内广播时隙的平均电磁辐射计算公式为:

(12)

式中P_t0为下行公共信道对智能天线所需的总的发射功率，可通过式(8)和表 2获得; G₀为广播波束增益; T_U0为下行公共信道所占时长，T_total为子帧总时长。

大多情况下，广播波束不采用赋形波束，无赋形增益，这可以仅由一个阵元发射来实现，此时式(12)变为:

(13)

式中P_e0为下行公共信道对该阵元所需的发射功率。

3.3 下行信道电磁辐射水平计算

下行业务和广播信道计算结果的和就是下行信道总的平均电磁辐射水平:

(14)

4 共建共享基站预测模式

共建共享基站的设置一般分为两种:一种是在一个天线塔的不同高度上分别安装不同运营商的天线，另一种是在楼顶平台上安装各自的天线。假设某站址共有n个辐射源(发射天线)，根据前述的智能与传统天线的预测模式，对这n个辐射进行预测，分别获得对某一环境敏感点的n个预测值S₁…S_n。根据能量叠加的原理，基站对敏感点所产生总的辐射水平为:

(15)

5 结束语

共建共享基站的电磁辐射预测模式一方面可预测单个使用传统或智能天线基站所产生的电磁辐射是否符合HJ /T10. 3—1996《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》中关于单个项目的管理目标要求，另一方面也可以预测共建共享站址所产生总的电磁辐射是否符合GB8702—88《电磁辐射防护规定》的限值要求。目前，共建共享基站电磁辐射预测模式已成功应用于中国移动广东公司一至十三期GSM工程、第3期TD-SCDMA工程的环境影响评价报告的编制，以及作为中国移动广东公司共建共享基站申请审查的技术依据，取得了良好的经济与社会效益。