电磁辐射对移动通信系统影响的研究

摘要　本文从电磁辐射对人体影响的角度分析了移动通信系统的传输特性，论证了在电磁辐射约束的条件下，单用户的上行链路相对于单用户的下行链路更容易达到传输能力饱和。随着上下行链路传输能力的增长，系统将会越来越表现出单用户的上行容量受限，而单用户的下行链路却拥有更大的传输速率余量和更大的发射功率余量，单用户的上下行链路具有显著的非对称传输特性，并在此基础上探讨了提高上行链路传输容量的方法。

1、引言

　　在未来移动通信中绝大多数业务将是不对称、高速率的多媒体业务^[1，2]。下行链路的业务需求无论是在传输总量还是业务种类方面都远远多于上行链路，这就是所谓的由业务需求引起的非对称传输特性，但随着应用以及社会的发展，这种需求关系并不是一成不变的^[2-4]。

　　电磁波对周围环境的影响一直是争议不断的问题。随着无线通信更大规模的应用，电磁辐射总量的增长将使人们不可避免地重新评估移动通信在信息化社会中的作用和影响。电磁辐射正在成为移动通信研究和设计中不可忽视的一个重要因素^[5]。移动通信系统上下行传输容量是受限的，在电磁辐射约束的条件下，这种受限将体现出非对称的特性，即上行传输容量限比下行传输容量限小得多。

2、电磁辐射产生的移动通信的非对称传输特性

　　移动通信终端是一个小型的收发信机，它的显著特点是与人体的距离很近，一般在几厘米至几十厘米，同时移动台还会对其附近的人群造成影响。相比之下。基站距人体的距离一般在几十米至几千米，所以移动台的电磁辐射影响比基站大得多。尽管可以通过一些特殊技术处理，减少移动台对使用者的影响^[6]，但是无法降低对移动台周围人的影响。

　　下面分别计算移动台和基站对人体的辐射功率。

　　（1）基站对人体的辐射功率

　　由于基站和人体的距离一般比较大，在假设理想视距传播环境的前提下，可以用自由空间传播模型计算基站对人体的辐射。设基站与人体的距离为d，则该处的接收功率为：

　　　（1）

　　这里A_e是有效面积，而G_t是传输天线增益，P_t为基站发射功率。

　　（2）移动台对人体的辐射功率

　　由于移动台与人体的距离很近，属于感应场，计算比较复杂，传统的传播模型不适用，这里引入天线传播效率的概念^[7，8]。

　　忽略手机本身的热损耗，天线总的发射功率为：

　　P_t=P_a+P_r

　　其中P_a是天线辐射到远处的功率，P_r是人体吸收的功率。天线传播效率η定义为：

　　所以移动台对人体的辐射功率为：

　　　（2）

　　衡量电磁辐射对人体影响的指标有很多，其中SAR（比吸收率）是最基本的量，为计量学分析和各国卫生标准所广泛采用。SAR是指暴露在电磁场中的生物体内单位质量吸收的功率，其计算公式为

　　其中为组织电导率，为组织密度，是测量的组织中的电场强度。

　　下面分别计算基站和移动台对人体辐射的SAR。

　　（1）基站对人体辐射的SAR

　　由于基站和人体的距离较远，对人体各个部位的辐射可以认为是基本相同的，因此基站对人体辐射的SAR可以用式（3）计算：

　　　（3）

　　其中P_b,h为基站对人体的辐射功率，计算公式如式（1）所示，M_b为吸收辐射的人体质量。

　　（2）移动台对人体辐射的SAR

　　移动台对人体的辐射与基站对人体的辐射不一样，移动台对人体的辐射属于近场辐射，辐射场强随距离的增大衰减非常大，人体对电磁辐射的吸收主要集中在靠近终端的人体器官。本文中主要考虑两种移动台使用模式：一种是移动台置于耳侧，对应于一般通话状态，此时移动台对人体的电磁辐射主要集中在头部；另一种是移动台与人眼高度基本一致，距离50 cm，对应于视频点播、在线游戏等高速下行业务，此时移动台对人体的电磁辐射主要集中在部分胸部和头部。为了计算简单，假设移动台对人体的电磁辐射在所研究的人体器官中是均匀分布的，所以移动台对人体辐射的SAR_m,h计算式如下：

　　　（4）