CN103874090A - 一种gsm通信基站电磁辐射预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GSM通信基站电磁辐射预测方法，具体步骤如下：通过计算GSM通信基站脉冲信号功率谱密度得到通信基站的发射功率表达式；获得通信基站话务量数据，得到不同时刻的话务量数据和通信基站信号脉冲流密度均值；将通信基站信号脉冲流密度均值代入发射功率表达式，求得通信基站不同时刻的发射功率；将求得的发射功率和天线增益方向图结合，获得不同方位、不同时刻的等效发射功率；将求得的GSM通信基站等效发射功率代入弗林斯传输公式，获得不同距离、不同方位、不同时刻电磁辐射大小。本发明将GSM通信基站信号脉冲流密度均值和天线增益方位函数相结合融入通信基站的电磁辐射预测方法中，提高了通信基站电磁辐射预测的准确性。

Description

一种GSM通信基站电磁辐射预测方法

技术领域

本发明涉及一种GSM通信基站电磁辐射预测方法。

背景技术

随着移动通信事业的发展日新月异,用户规模飞速扩张,使得移动通信发射基站星罗棋布,空间电磁辐射越来越强,暴露在强电磁场和电磁波辐射下的人群数量不断增加,如何定性和定量地确定电磁污染对人体的影响已成为当前最需解决的问题。GSM通信基站电磁辐射预测主要取决于三部分：通信基站的发射功率、人距离通信基站的距离以及预测点与发射天线的方位。通信基站发射功率和话务量具有一定的关系，话务量越大，发射功率相对越大。同时基站发射的微波信号要经过天线辐射出去，因此其辐射强度分布和天线增益方向图具有一定的关联。目前大多数研究主要是针对通信基站周围的电磁场分布和基站最大发射功率进行电磁辐射预测，和实际预测结果偏差较大。

发明内容

为了解决GSM通信基站电磁辐射理论预测和实际测试偏差较大的问题，本发明提供一种准确度高、成本低的GSM通信基站电磁辐射预测方法。

本发明解决上述问题的技术方案包括如下步骤：

1）、通过计算GSM通信基站发射信号的脉冲信号功率谱密度得到通信基站的发射功率表达式；

2）、获取所研究通信基站一个月话务量数据，对话务量数据以小时为单位进行平均计算，得到一天24小时不同时刻的话务量数据及GSM信号脉冲流密度均值；

3）、将步骤 2）获得通信基站信号脉冲流密度均值

代入步骤1）中的发射功率表达式，求得GSM通信基站24小时不同时刻的发射功率；

4）、将步骤3）获得的不同时刻发射功率和天线增益方向图函数结合，获得不同时刻、不同方位的等效发射功率；

5）、将步骤 4）求得GSM通信基站等效发射功率代入弗林斯传输公式，获得不同距离、不同方位、不同时间点的电磁辐射大小。

上述的一种GSM通信基站电磁辐射预测方法中：所述步骤 1）中，GSM通信基站脉冲信号的功率谱密度为

$P_e\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A^2}{4}[P_s(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)+P_s(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)]$

其中A为载波幅值，ω为GSM通信基站发射信号频率，ω_c为GSM通信基站发射中心频率；

所述GSM通信基站基带传输信号功率谱密度为：

其中Sa(πωT_s)为抽样函数，是sin(πωT_s)与πωT_s之比构成的函数，

为GSM脉冲流密度均值，T_s为GSM脉冲信号宽度；

将P_s(ω)的表达式代入中得到GSM通信基站脉冲信号实际传输功率谱密度为：

发射功率为功率谱密度在频谱范围内的积分，具体表达式为：

上式积分范围为通信基站发射频率范围。

上述的一种GSM通信基站电磁辐射预测方法中：所述步骤 4）中，等效发射功率的表达式为：

其中E(θ,ψ)为天线增益方向图函数，θ和ψ分别为天线水平方向角度和垂直方向角度，E(θ,ψ)可从天线厂家提供天线参数中查表获得。

上述的一种GSM通信基站电磁辐射预测方法中：所述步骤 5）中，弗林斯传输公式：

其中S为电磁辐射功率密度，ｒ是GSM通信基站与被测物之间的距离，P为输入到天线的功率，G为天线增益，P和G的乘积为天线等效辐射功率。

本发明的有益效果在于：

1.GSM通信基站周围的电磁辐射受通信基站的发射功率影响，而GSM通信基站的发射功率不是固定值，发射功率随话务量的变化而变化，另外不同方位天线增益也不相同，本发明通过话务量参数和天线增益方位图函数，获得一天24小时不同时刻、不同方位以及不同距离的等效发射功率值，使得GSM通信基站电磁辐射的预测更为准确，通信工作人员可以选择合适的时间进行相关基站修理；

2.本发明将话务量和天线增益方位图函数结合融入GSM通信基站的电磁辐射预测方法中，能够分析不同时段、不同方位的电磁辐射强度，提高了GSM通信基站电磁辐射预测的准确性；

3.工作人员不方便测量的高危地带，通过本发明不仅可以减少大量工作量，更减少了大量的危险事故。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图。

图2 为本发明专利电磁辐射预测值和实测值比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明技术方案的系统原理框图如图1所示，具体步骤为：

1）通过计算GSM通信基站发射的脉冲信号功率谱密度得到GSM通信基站的发射功率表达式。

GSM通信基站发射的脉冲信号经ASK调制的过程。其中s(t)为基带脉冲信号，在单载频情况下，每个用户占用脉冲的概率为P，那么不占用脉冲的概率为（1-P），每个脉冲的占用情况均相互独立。用数学表达式可表述为

$\mathrm{\ζ}\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\χ}}_{n}g(t-n{T}_s)---\left(1\right)$

e(t)=Aζ(t)cos(2πw_ct)                    （2）

Acos(2πw_ct)为载波，w_c表示载波频率，T_s为GSM脉冲信号宽度0.577ms，A表示载波幅值，在GSM通信基站实际的发射信号种，A通常是8.94V, e(t)为GSM通信基站的最后传输信号，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲，t 代表时间，n表示GSM通信脉冲个数，

表示n个脉冲信号累积。

GSM通信基站的发射功率计算步骤具体如下：

①根据傅里叶传输公式，可以求得e(t)的功率谱密度为

$P_e\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A^2}{4}[P_s(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)+P_s(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)]---\left(3\right)$

ω为GSM通信基站发射信号频率， ω_c为GSM通信基站发射中心频率。

②在GSM信号脉冲流密度均值为

的情况下，GSM通信基站发射脉冲信号的自相关函数为：

$\begin{array}{c}{R}_s\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left\{s\left(t\right)s(t+\mathrm{\τ})\right\}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i{s}_{j}P[s_i,s_j;t_i,t_j]\\ =\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i{s}_{j}P[s_i,s_j;\mathrm{\τ}]=1\×1\×P\{s\left(t\right)=1,s(t+\mathrm{\τ})=1\}\\ =P\{s\left(t\right)=1\}P\{s(t+\mathrm{\τ})=1|s\left(t\right)=1\}=[1-\frac{\mathrm{\τ}}{T}]\mathrm{\λT}\end{array}---\left(4\right)$

τ代表s（t）函数延长的时间长度，因为矩形脉冲有两种取值，一种为0，一种为1，s_i代表s（t）信号，它可以取0或1。S_j 代表s（t+τ）信号，它也可以取0和1. t_i、t_j 也分别表示对应的s_i、s_j 时间变量。

③根据维纳辛钦定理，功率谱密度是其自相关函数的傅立叶变换。在GSM信号脉冲流密度均值为的情况下，GSM通信基站基带传输信号功率谱密度为：

将上式代入式（3）中，可得GSM通信基站脉冲信号实际传输功率谱密度为

2）通过移动或者联通网络公司，获得通信基站一个月话务量数据，对话务量数据以小时为单位进行加权平均计算，得到一天24小时不同时刻的话务量，根据GSM通信系统相关标准，GSM发射信号脉冲流密度均值

为话务量的八分之一，进而求得GSM信号脉冲流密度均值

。

如凌晨2:00话务量极少的情况下，2点到3点之间的话务量为10爱尔兰，那么该时段内，GSM信号脉冲流密度均值

为1.25，如在上午11:00话务量最为繁忙的情况下，上午11点到12点之间的话务量为600爱尔兰，则GSM信号脉冲流密度均值

为75。

3）获得24小时话务量GSM信号脉冲流密度均值

代入公式（6）中，并进行积分，可以求得基站24小时不同时刻的发射功率。

发射功率为功率谱密度在频谱范围内的积分，具体表达式为：

积分范围为基站发射频率范围，可求得24小时不同时刻发射功率值。

4）通过天线增益方位图函数获取不同方位的天线增益，从而获得不同方位的通信基站等效发射功率。天线增益方位图函数可从天线生产厂家获得，如表1所示为某天线增益方向图函数表。

如若θ=5°,ψ=-10°时，则E(θ,ψ)=13，说明在这个方位的天线增益不是最大增益值17dB，而是13dB。

表一 某天线方向增益函数E(θ,ψ)

将天线方位增益系数代入下式（8），并对通信基站发射频率范围积分可获得某个方位的等效发射功率。

积分的范围为基站的发射频率。

5）再将等效辐射功率代入弗林斯传输公式，可获得电磁辐射功率密度：

其中S为功率密度，单位为μWcm2；ｒ是GSM通信基站与被测物之间的距离，单位为米。

图2显示的是在GSM通信基站与被测物之间的距离为r=15m，θ=5°,ψ=-10°天线方位下，利用本发明预测方法预测一天GSM通信基站电磁辐射的变化情况和通过电磁辐射测量仪实际测量值进行比较的示意图，在图中发现本专利电磁辐射预测值和实际测试值非常接近。

Claims (4)

1.一种GSM通信基站电磁辐射预测方法，包括如下步骤：

1）、通过计算GSM通信基站发射信号的脉冲信号功率谱密度得到通信基站的发射功率表达式；

2）、获取所研究通信基站一个月话务量数据，对话务量数据以小时为单位进行平均计算，得到一天24小时不同时刻的话务量数据及GSM信号脉冲流密度均值；

3）、将步骤 2）获得通信基站信号脉冲流密度均值

代入步骤1）中的发射功率表达式，求得GSM通信基站24小时不同时刻的发射功率；

4）、将步骤3）获得的不同时刻发射功率和天线增益方向图函数结合，获得不同时刻、不同方位的等效发射功率；

5）、将步骤 4）求得GSM通信基站等效发射功率代入弗林斯传输公式，获得不同距离、不同方位、不同时间点的电磁辐射大小。

2.如权利要求1所述的一种GSM通信基站电磁辐射预测方法，所述步骤 1）中，GSM通信基站脉冲信号的功率谱密度为

$P_e\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A^2}{4}[P_s(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)+P_s(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)]$

其中A为载波幅值，ω为GSM通信基站发射信号频率，ω_c为GSM通信基站发射中心频率；

所述GSM通信基站基带传输信号功率谱密度为：

其中Sa(πωT_s)为抽样函数，是sin(πωT_s)与πωT_s之比构成的函数，为GSM脉冲流密度均值，T_s为GSM脉冲信号宽度；

将P_s(ω)的表达式代入中得到GSM通信基站脉冲信号实际传输功率谱密度为：

发射功率为功率谱密度在频谱范围内的积分，具体表达式为：

上式积分范围为通信基站发射频率范围。

3.如权利要求1所述的一种GSM通信基站电磁辐射预测方法，所述步骤 4）中，等效发射功率的表达式为：

其中E(θ,ψ)为天线增益方向图函数，θ和ψ分别为天线水平方向角度和垂直方向角度, E(θ,ψ)可从天线厂家提供天线参数中查表获得。

4.如权利要求1所述的一种GSM通信基站电磁辐射预测方法，所述步骤 5）中，弗林斯传输公式：

其中S为电磁辐射功率密度，ｒ是GSM通信基站与被测物之间的距离，P为输入到天线的功率，G为天线增益，P和G的乘积为天线等效辐射功率。

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