CN106879016B - 一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，其步骤如下：通过无线通信信号传播路径损耗模型，根据移动终端与基站天线之间的距离，计算基站通信所需瞬时发射功率；结合基站通信所需瞬时发射功率和基站覆盖区域用户分布的概率密度函数，计算基站的平均发射功率；通过得到的基站平均发射功率，预测基站周围某点位平均电磁辐射强度。本发明通过考虑用户在覆盖区域的分布、路径损耗、用户通信特征多个因素，对基站周围的电磁辐射预测进行建模，所建立的模型能够准确的计算出基站某点位平均电磁辐射强度。该方法对基站建设、电磁辐射环境影响评价及环境保护有极大的参考价值，具有一定的社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法。
背景技术
目前针对通信基站周围的电磁辐射预测，主要通过基站的最大发射功率、天线辐射方向图以及发射天线与预测点之间的距离等因素来进行预测。例如，Linhares A发表的[Side lobes from radio base station antenna in the evaluation of humanexposure to EMF[C]//Microwave&Optoelectronics Conference.IEEE,2013:1-5.]就是通过最大发射功率、路径损耗以及天线相关参数对电磁辐射进行分析的。而实际上基站发射功率和基站周围的用户分布相关，当通话用户离基站的距离较远时，基站将自动增加发射功率，满足移动终端所需最低解码功率，此时基站周围的电磁辐射强度上升，而当通话用户离基站的距离较近时，基站会自动降低发射功率，减少网内干扰，此时基站周围的电磁辐射强度下降。若采用最大发射功率对基站周围电磁辐射进行预测，预测值和实际测量值之间必然会出现较大的偏差。本发明专利通过基站周围的用户分布概率密度函数，实现更加精确的电磁辐射预测。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种准确的基站周围电磁辐射预测方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
1)、通过无线通信信号传播路径损耗模型，当移动终端距离基站天线r时，计算基站通信所需瞬时发射功率Pt；
2)、通过步骤1获得的瞬时发射功率Pt，并结合基站覆盖区域用户分布的概率密度函数，计算基站的平均发射功率PT；
3)、通过步骤2得到的基站平均发射功率PT，预测基站周围某点位平均电磁辐射强度。
上述的一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，所述步骤1)中，基站通信所需瞬时发射功率的表达式为：
Pt＝Prγ-1rn
其中Pt表示基站通信所需瞬时发射功率，单位为W；Pr表示移动终端通信所需解码功率，单位为W；γ表示天线的相关因子，单位为dbm；r表示通信时移动终端与基站天线之间的距离，单位为m；n表示路损因子，根据地形环境进行取值，其范围为2≤n≤5。
上述的一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，所述步骤2)中，基站平均发射功率的表达式为：
其中PT表示基站的平均发射功率，单位为W；Pt表示基站通信所需瞬时发射功率，单位为W；Pr表示移动终端通信所需解码功率，单位为W；γ表示天线的相关因子，单位为dbm；r表示通信时移动终端与基站天线之间的距离，单位为m，r是随机变量，f(r)表示基站覆盖区域内用户分布的概率密度函数；n表示路损因子，根据地形环境进行取值，其范围为2≤n≤5；R表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最大半径，单位为m；R0(0≤R0≤R)表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最小半径，单位为m。
上述的一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，所述步骤3)中，通信基站某点位平均电磁辐射强度表达式为：
其中S表示通信基站某点位平均电磁辐射功率密度，单位为μW/cm2；G表示天线的增益，单位为db；d表示基站天线与预测点之间的距离，单位为m；Pr表示移动终端通信所需解码功率，单位为W；γ表示天线的相关因子，单位为dbm；r表示通信时移动终端与基站天线之间的距离，单位为m，r是随机变量，f(r)表示基站覆盖区域内用户分布的概率密度函数；n表示路损因子，根据地形环境进行取值，其范围为2≤n≤5；R表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最大半径，单位为m；R0(0≤R0≤R)表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最小半径，单位为m。
本发明的有益效果在于：本分析方法考虑了用户在基站覆盖区域的分布、路径损耗、用户通信特征多个因素，对基站周围的电磁辐射预测进行建模，所建立的模型能够准确的计算出基站某点位平均电磁辐射强度。该方法对基站建设和环境保护有极大的参考价值，具有一定的社会效益。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为基站覆盖区域示意图。
图3为本发明专利的电磁辐射功率密度计算值和实地测量值的比较示意图。
具体实施方式
本次实施的实验地在空旷平坦的区域，周围的障碍物较少，从距离基站5米处开始测量，并沿基站最大辐射方向以2米的测量间隔开始水平移动进行定点测量。对基站进行实地测量的仪器设备是便携式频谱分析仪KEYSIGHT N9918A和周期对数天线HyperLOG60180。基站天线的最大发射功率为20W，增益为16db，覆盖区域是一个半径为500米的圆形区域，以基站为中心，半径为5米的圆形区域是用户不能到达区域。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明技术方案的流程框图如图1所示，具体步骤为：
步骤一：通过无线通信信号传播路径损耗模型，当移动终端距离基站天线r时，计算基站通信所需瞬时发射功率Pt。
若基站通信所需瞬时发射功率为Pt，移动终端通信所需解码功率为Pr，通常取-80dbm，通信时移动终端和基站天线之间的距离为r，通过无线通信信号传播路径损耗模型，推导出当移动终端距离基站天线r时，基站通信所需瞬时发射功率的表达式为：
Pt＝Prγ-1rn
其中γ表示天线的相关因子，单位为dbm，可以根据接收天线生产厂家获得，如表1所示为实验所用天线(周期对数天线HyperLOG 60180)部分参数对应表，实验测量的频率为954.6MHZ，故γ的取值为24.64；r表示基站天线与移动终端之间的距离，单位为m；n表示路损因子，取值为4.2。
表1周期对数天线HyperLOG 60180参数对应表
| 频率(MHZ) | 增益dBi/G(i) | 增益dBd/G(D) | 天线因子(dbm) |
| 930.000 | 5.4 | 3.25 | 24.26 |
| 940.000 | 5.4 | 3.25 | 24.35 |
| 950.000 | 5.2 | 3.05 | 24.64 |
| 960.000 | 4.9 | 2.75 | 25.04 |
步骤二：通过步骤一获得的瞬时发射功率Pt，并结合基站覆盖区域用户分布的概率密度函数，计算基站的平均发射功率PT。
在本次实施例中，移动终端与基站天线的距离为r，用户在基站覆盖区域的分布是均匀分布，基站覆盖区域是以基站为中心，半径为500米的圆形区域，其中半径为5米的圆形区域是用户不能到达区域，即R的值为500米，R0的值为5米。根据文献[Alouini M S,Goldsmith A J.Area spectral efficiency of cellular mobile radio systems[C]//Vehicular Technology Conference,1997,IEEE.IEEE Xplore,1997:652-656vol.2.]，可知用户在基站覆盖区域的分布为均匀分布时，其概率密度函数为：
结合用户在覆盖区域的概率密度函数和步骤一基站瞬时发射功率表达式，得到基站的平均发射功率PT：
根据步骤一和步骤二建立的模型及其参数设计，可以计算出基站理论上单个载频的平均发射功率为0.028589W。
步骤三：通过步骤二得到的基站平均发射功率PT，预测基站周围某点位平均电磁辐射强度。
其中d表示预测点与基站天线之间的距离，单位为m；S表示预测点距离基站发射天线d时的功率密度，单位为μW/cm2；G表示天线的增益，单位为db。
若预测点与基站天线之间的距离为30米时，即d的取值为30，根据步骤一和步骤二的参数以及步骤三建立的模型，可以计算出基站30米处平均电磁辐射功率密度为0.010068μW/cm2。
图3是本发明专利的电磁辐射功率密度计算值与和实地测量值的比较示意图。
Claims (4)
1.一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，包括如下步骤：
1)、通过无线通信信号传播路径损耗模型，当移动终端距离基站天线r时，计算基站通信所需瞬时发射功率Pt；
2)、通过步骤1获得的瞬时发射功率Pt，并结合基站覆盖区域用户分布的概率密度函数，计算基站的平均发射功率PT；
3)、通过步骤2得到的基站平均发射功率PT，预测基站周围某点位平均电磁辐射强度。
2.如权利要求1所述的一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，所述步骤1)中，其特征是，基站通信所需瞬时发射功率的表达式为：
Pt＝Prγ-1rn
其中Pt表示基站通信所需瞬时发射功率，单位为W；Pr表示移动终端通信所需解码功率，单位为W；γ表示天线的相关因子，单位为dbm；r表示通信时移动终端与基站天线之间的距离，单位为m；n表示路损因子，根据地形环境进行取值，其范围为2≤n≤5。
3.如权利要求1所述的一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，所述步骤2)中，其特征是，基站平均发射功率的表达式为：
其中PT表示基站的平均发射功率，单位为W；Pt表示基站通信所需瞬时发射功率，单位为W；Pr表示移动终端通信所需解码功率，单位为W；γ表示天线的相关因子，单位为dbm；r表示通信时移动终端与基站天线之间的距离，单位为m，r是随机变量，f(r)表示基站覆盖区域内用户分布的概率密度函数；n表示路损因子，根据地形环境进行取值，其范围为2≤n≤5；R表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最大半径，单位为m；R0(0≤R0≤R)表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最小半径，单位为m。
4.如权利要求1所述的一种基于用户分布的基站电磁辐射预测方法，所述步骤3)中，其特征是，通信基站某点位平均电磁辐射强度表达式为：
其中S表示通信基站某点位平均电磁辐射功率密度，单位为μW/cm2；G表示天线的增益，单位为db；d表示基天线与预测点之间的距离，单位为m；Pr表示移动终端通信所需解码功率，单位为W；γ表示天线的相关因子，单位为dbm；r表示通信时移动终端与基站天线之间的距离，单位为m，r是随机变量，f(r)表示基站覆盖区域内用户分布的概率密度函数；n表示路损因子，根据地形环境进行取值，其范围为2≤n≤5；R表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最大半径，单位为m；R0(0≤R0≤R)表示以基站为中心，基站圆形覆盖区域的最小半径，单位为m。
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