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GSM与CDMA手机辐射的比较

http://www.sina.com.cn 2001年12月13日 14:39 新浪科技

  众所周知,由于CDMA (IS-95)系统中采用快速的反向功率控制、软切换、语音激活等技术,以及IS-95规范对手机最大发射功率的限制,使CDMA手机在通信过程中辐射功率很小而享有“绿色手机”的美誉。但最近有一些报导对“绿色手机”提出了质疑,认为GSM手机与CDMA手机幅射相当,其基本观点是GSM手机只有八分之一的时间产生幅射,因此GSM手机与CDMA手机的SAR值(人体单位质量吸收的射频功率)大体相当。

  到底GSM手机和CDMA手机辐射功率谁大谁小或相差多少,为得出实际的客观的比较结果,由一家国际著名的CDMA技术权威公司和国内某知名的GSM网络优化公司工程技术人员于2001年12月上旬沿北京市二环路全线进行了CDMA和GSM现网中手机发射功率的测试。测试结果表明,在二环路上CDMA手机平均发射功率为2.4 dBm (1.72毫瓦), GSM手机平均发射功率为28.9 dBm(773毫瓦),考虑到GSM手机只在八分之一时间内发射,GSM手机在时间上的等效平均发射功率可减少到96.63mW(19.85dBm)。由此而见,CDMA手机的平均发射功率相当于GSM手机在时间上的等效平均发射功率的1.78%。

  本文分为四部分,第一部分从CDMA和GSM的技术体制上对CDMA和GSM手机的发射功率的要求作了比较;第二部分详细介绍了路测实验的过程和结果;第三部分讨论了目前国际上普遍采用的手机辐射标准(SAR值)与手机发射功率的关系;第四部分是全文的结论。

  一.CDMA和GSM系统对手机发射功率要求比较

  我们先来了解一下CDMA和GSM相关技术规范对手机发射功率的要求。目前普遍使用的GSM手机900MHz频段最大发射功率为2W (33dBm),1800MHz频段最大发射功率为1W (30dBm),同时规范要求,对于GSM900和1800频段,通信过程中手机最小发射功率分别不能低于5dBm和0dBm。CDMA IS-95A规范对手机最大发射功率要求为0.2W�1W(23dBm�30dBm),实际上目前网络上允许手机的最大发射功率为23dBm (0.2W),规范对CDMA手机最小发射功率没有要求。

  在实际通信过程中,在某个时刻某个地点,手机的实际发射功率取决于环境,系统对通信质量的要求,语音激活等诸多因素,实际上就是取决于系统的链路预算。在通常的网络设计和规划中,对于基本相同的误帧率要求, GSM系统要求到达基站的手机信号的载干比通常为9dB左右,由于CDMA系统采用扩频技术,扩频增益对全速率编码的增益为21dB, (对其他低速率编码的增益更大),所以对解扩前信号的等效载干比的要求小于-14dB! (CDMA系统通常要解扩后信号的值为7dB左右,)。

  我们再来比较一下GSM和CDMA手机发射功率的初始值的取定及功率控制机制。手机与系统的通信可分为两个阶段,一是接入阶段,二是话务通信阶段。对于GSM系统,手机在随机接入阶段没有进入专用模式以前,是没有功率控制的,为保证接入成功,手机以系统能允许的最大功率发射(通常是手机的最大发射功率)[4]。在分配专用信道(SDCCH或TCH)后,手机会根据基站的指令调整手机的发射功率,调整的步长通常为2dB。调整的频率为60ms一次。

  对于CDMA系统,在随机接入状态下,手机会根据接收到的基站信号电平估计一个较小的值作为手机的初始发射功率,发送第一个Access Probe,如果在规定的时间内没有得到基站的应答信息,手机会加大发射功率,发送第二个Access Probe,如果在规定时间内还没有得到基站的应答信息,手机会再加大发射功率。这个过程重复下去,直到收到基站的应答或者到达设定的最多尝试次数为止。在通话状态下,每1.25ms基站会向手机发送一个功率控制命令信息,命令手机增大或减少发射功率,步长为1dB。

  由上面的比较可以看出,总体而言,考虑到CDMA系统其他独有的技术,如软切换, RAKE接收机对多径的分集作用,强有力的前向纠错算法对对上行链路预算的改善, CDMA系统对手机的发射功率的要求比GSM系统对手机发射功的要求要小得多.而且GSM手机在接入过程中以最大的功率发射,在通话过程中功率控制速度较慢,所以手机以大功率发射的机率较大;而CDMA手机独特的随机接入机制和快速的反向功率控制,可以使手机平均发射功率维持在一个较低的水平。上述的定性分析结论在后面的实际测量中得到了验证。

  二.路测试验描述和结果分析

  路测实验进行了CDMA和GSM手机在实际通信过程中发射功率的测试。CDMA测试手机和GSM测试手机同时拔打1861,汽车内收音机调整到适当音量,摸拟双向通话。车速40km左右。GSM手机每480ms抽样一次,CDMA手机每20ms抽样一次。试验测得的GSM手机和CDMA手机的发射功率的统计分布如图所示。

  GSM手机在二环路上的发射功率分布图

  

  CDMA手机在二环路上的发射功率分布图

  

  CDMA手机的线性平均发射功率为2.4dBm (1.72毫瓦),以最大功率(23dBm, 0.2瓦)发射的概率为0.2%;GSM手机的线性平均发射功率为28.9dBm (773毫瓦),以最大功率(2瓦)发射的概率为21.8%。值得注意的是目前北京市区的北京移动GSM网络已相当成熟,基站间距较小,GSM手机可以较小功率发射;而CDMA网络处于发展阶段,网络优化后,对CDMA手机发功率的要求会更小。

  三.手机安全辐射标准与手机发射功率

  手机辐射对人体的影响尚在不断的观察与研究之中,国外有大量相互矛盾的研究报告,目前尚未有全面的科学的结论。目前国际上(包括美国FCC,NCRP,欧洲的CENEIEC)普遍采用的标准是SAR值(SPECIFIC ABSORPTION RATE),它指的是人体单位质量吸收的射频功率,可表示为:

  

  其中σ是人体组织的电导率,为人体组织的密度,E为人体组织内因受电磁辐射产生的场强。这三个参数都是人体位置的函数。如果要求某一器官吸收的射频功率,则可由积分关系得出,M是器官的质量,该器官也可指整个人体。

  由于手机在通话时靠近人的脑部(不带耳机),手机辐射天线与人脑的距离通常小于15cm。人脑处于天线辐射的近场,由于人体组织结构的复杂性,理论上计算天线辐射功率与人体内场强分布的关系非常困难。但根据电磁场理论,有一点是可以肯定的,在天线结构以及手机和人体相对位置一定的情况下,天线输入功率越大,在人体内形成的电场强度越高,人体吸收的射频辐射功率越大。目前测量SAR值一个重要方法是使用人体组织等效模型,利用探头来测量受射频辐射的人体内的实际场强值。

  对SAR要求较严的是FCC标准,对30MHZ-15GHZ频段推荐了两类辐射标准:

  1.受控制的辐射极限:

  0.4mw/g(人体平均值),峰值8mw/g(对任何1克人体组织平均),平均时间6分钟;

  2.非控制的辐射极限

  0.08mw/g(人体平均值),峰值1.6mw/g(对任何1克人体组织平均),平均时间30分钟。

  手机辐射属于人不能控制射频源的非控制辐射。

  需要特别指出的是,目前进行的手机SAR测试得到的结果,均是在手机以最大发射功率和全速率的情况下得到的。CDMA手机最大发射功率为0.2W, GSM手机最大发射功率为2W,但GSM手机只在1/8的时间发射,而SAR值的测定是一个较长时间的平均,因此,GSM手机和CDMA手机在这种情况下的SAR值相近是不足为奇的。我们不能因为在这种极限情况下CDMA手机和GSM手机SAR值相当而武断地认为在实际的通信过程中CDMA手机和GSM手机辐射也相近。因为在实际通信过程中,GSM手机和CDMA手机都不会总是以最大功率发射,特别是CDMA手机以全速率,最大功率发射的概率极小。从前面路测的统计结果来看,GSM手机以大功率发射的概率远远大于CDMA手机大功率发射的概率,CDMA手机的平均发射功率远远小于CDMA手机的最大发射功率,也远远小于GSM手机的平均发射功率,因此,在实际通信过程中的CDMA手机对人体辐射的实际SAR值将大大低于CDMA手机标称的SAR值,也远低于GSM手机实际的SAR值。

  另一方面,客观地说,目前广泛采用的SAR标准可能不能够全面反应手机辐射对人体的影响。因为该标准是根据电磁辐射对人体的热效应制定的。事实上,电磁波,特别是低频脉冲电磁波对人体辐射的非热效应也日益引起人们的关注, GSM手机发射产生的低频脉冲电磁波已经影响到精密医疗设备,助听设备的正常使用,是否对人体也有害,目前尚无定论。为避免GSM手机的上述缺陷,第三代移动通信系统的终端设备发射的将都是象CDMA手机一样连续的无线电波而非脉冲电波。

  四.结论

  由于CDMA和GSM的技术体制对CDMA和GSM手机的发射功率的要求以及初始发射功率值的取定以及功率控制机制不同,在通信过程中,CDMA手机的平均发射功率远远低于GSM手机的平均发射功率。现网实测证实,CDMA手机的平均发射功率比GSM手机的发射功率小500多倍,考虑到GSM手机只在八分之一时间内发射,在同等时间内,CDMA辐射的能量比GSM手机辐射的能量小60倍以上。

  手机辐射的安全标准SAR值是在手机以最大功率发射的情况下得出的,在这种情况下GSM手机和CDMA手机的SAR值相当是完全正常的。由于CDMA手机在实际通信过程中的平均发射功率远远小于CDMA手机的最大发射功率,也远小于GSM手机的平均发射功率,因此CDMA手机对人体的实际辐射远远低于手机最大发射功率下的SAR值,而且在使用过程中不辐射低频无线电波, CDMA手机是名副其实的“绿色手机”。

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