定量分析基站和手机信号强度(辐射)对比

    本文首发于本人QQ，这里重贴一次。

    心急的同学可以直接跳到最后看图和结论。

    不少人曾问我手机辐射对人的影响问题，其实我一直想说：这是问错人了。我们搞通信只是利用无线信号传输信息，至于这些无线信号如何作用于人体以及如何对人体造成正面或负面的影响，则大概应该是医学或者人体科学方面的研究目标了。不过高频高功率辐射会致癌是现在的普遍认知，虽然近期也有研究指出通信信号的辐射可能并不会导致癌症。这里有一些资料：http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_phone_radiation_and_health 

    然而虽然无法确知辐射对人体的影响如何，却不妨碍我对信号辐射本身作出定量的分析。因为现在在住宅周边建立新基站所造成的矛盾已经越来越频繁，而所谓专家的解释偏偏模棱两可混淆概念让人无法确信。因此觉得很有必要自己做一番研究。因为仅对CDMA 1x的功率有较为清晰的认识，GSM和CDMA2000/UMTS的数据大多来自网络，如有不妥，还请指出。

    首先应该指出，人体受通信系统的辐射来自两方面：一是基站，二是手机。基站的辐射是24小时不间断的，在无线流量突飞猛进的年代，以下假设基站基本是24小时满功率运行。至于手机辐射，只要开机了，也是时刻都存在的，不过待机时和通话时的信号强度自然无法相比，因此下面也会分开论述。

模型：

    由于本文着重于基站布设对人体的影响，因此采用下面的三种模型来定量分析：

    模型一：基站离人体很远（城市内>2公里)，手机信号1格。基站信号在人体处已经衰落得很微弱了，而手机通话时需要更高的功率来保持通信质量，如图1：（注：下图中，手机接收信号虽然只有1格，但是此时的手机其实是需要用更大的功率来发送信号以保证基站能够成功接收手机发出的信息的）

    模型二：基站离人体远近适中(城市内约200米)，手机信号满格。基站信号传播至人体处的信号强度和手机的发送信号均适中，如图2：

    模型三：基站离人体很近（<20米，或者<50米且无阻碍)，比如布设在自家楼顶或者窗户对面，手机信号自然是满满的。基站信号无时无刻不在烘烤人体器官，手机信号几乎可以忽略不计了吧。。。

数据：

对于基站和手机功率，采用以下简化数值：

2G网络：

基站发射功率(1)：         20w

手机待机功率(2)：         1nw         （发射机不工作）

手机通话功率(3)(6)(9)： 2w           （1格信号，900MHz规范最大值）

手机通话功率(4)(6)(7)： 96.6mw   （满格信号，北京二环实测）

手机通话功率(6)：        3.2mw      （基站处，GSM最小发射功率级别）

3G网络：

基站发射功率(1)：         20w

手机待机功率(2)：        1nw          （发射机不工作）

手机通话功率(3)(9)：    250mw     （1格信号，class3手机规范最大值）

手机通话功率(5)(7)：    1.72mw    （满格信号，北京二环实测）

手机通话功率(8)：        10nw       （基站处，UMTS手机最小值）

*注0：2G网络本文特指GSM (中国移动）(中国电信的CDMA 1x由于市场占有率不高,暂不予考虑)；3G网络本文特指CDMA 2000（中国电信）和UMTS（中国联通）

*注1：基站发射功率可以参见各BTS规格说明，一般城市内小型基站每个扇区的功率均为20w。暂不考虑多个频点覆盖布设所造成的额外功率；

*注2：手机待机功率：CDMA规范规定发射机待机时，其功率应小于-61dBm/MHz，因此大概仅有1nw(10-6mw)。手机处于待机状态并不意味着不工作，手机会间断接收并侦测基站下发的广播消息，如果侦测到自己有了位置改变或者需要作出回应，则会有相应的动作（如发送信令信号等）。但是因为其频率较低，平均下来，我就在此忽略不计了。

*注3：1格信号手机发射功率参见手机规格说明中的信号功放最大值。如iphone4 内使用的高通MDM6600芯片，其规范于此相同：http://www.gobi.com/sites/default/files/Gobi3000r4.pdf。在此处有各类信号功率的总结：http://en.wikipedia.org/wiki/DBm ，可以查到900MHz GSM手机的最大功率为2w，而UMTS class3手机的最大功率是250mw或125w

*注4：满格信号手机发射功率参见实测值：http://baike.baidu.com/view/6055.htm （二环路上...GSM手机平均发射功率为28.9dBm(773 mW)，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19.85dBm(96.63mW)）

*注5：由于没有找到3G路测手机发送功率，故采用同上实验数据：http://baike.baidu.com/view/6055.htm （测试结果表明，在二环路上CDMA手机平均发射功率为2.4 dBm(1.72mW)）。此处的CDMA应该是指CDMA 1x，即中国电信的2G系统。但是因为CDMA 2000相对于CDMA 1x而言，其上行几乎没有太大变化，故此3G的上行数据可以暂借此数值。

*注6：2G GSM手机的通话功率在1格时为最大峰值2w以及规范规定的最小发射功率级别19(3.2mw)，并未考虑1/8的使用时隙；而满格时的平均值96.6mw则是考虑了1/8时隙。这两个数值并列在此其实并不匹配。不过因为1格时是考虑极端情况，而且也并不清楚对人体的伤害到底是应该使用峰值计算或者使用平均值计算更加合理，故此处仍保留2w的数值。

*注7：3G网络采用CDMA，2G GSM网络采用时分窄频(T-FDMA)调制，3G的码分特性保证了信号能以更小的功率发射即可保证相同的接收强度。同时不可忽视的是，3G采用了更优秀的功率控制算法和系统调度，使得手机信号能控制在更小的范围内，从而减少对人体的伤害。（当然，从通信系统角度而言，其首要目的其实是为了增加系统容量）

*注8：UMTS手机的最小发射功率为-50dBm，CDMA2000未规定手机最小发射功率，由功率控制完成对手机发射功率的实时调节

*注9：参考当年摩托罗拉的"铱系统"卫星移动通信系统，手机直接发送信号至低轨道卫星（距离地面780公里），由于距离过远，手机信号平均功率需要达到2.5w，峰值更是11w。如果技术不改进，拿到现在来日常使用，估计没人敢用吧 （http://en.wikipedia.org/wiki/Iridium_Communications ）（http://www.outfittersatellite.com/iridium_9522.htm ）

分析：

    模型一，2G网络：

    本模型中，基站离人体很远，以致手机端显示网络信号仅有1格。基站发送的信号，其衰落模型在此统一采用COST-HATA的模型（http://en.wikipedia.org/wiki/COST_Hata_model），对于900MHz的GSM信号，带入后简化为：PL=23.5 + 35log10(d) dB，算下来信号的衰减与距离的3.5次方成正比。而手机离人体比较近，因此采用自由空间的损耗公式（http://en.wikipedia.org/wiki/Free-space_path_loss），带入后简化得到：PL=31.5+20long10(d)dB，即手机信号的衰减与距离的平方成正比。

    模型一2G手机待机时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（1）意味着：模型一2G手机待机时，你将其放在裤子口袋里，离脑袋心脏约半米距离，那么基站至少要大于1公里远，其辐射才会小于手机；而如果你将其吊在胸口，离心脏仅有10cm，那么等效于基站在398米处。可见把手机放在胸口还是有相当大的辐射的。因此在此模型下，GSM手机待机时，只要把手机放在离人体稍远的地方，主要的辐射源是基站。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (2000m)	手机
	(0.1m)	(0.5m)
2.5*10-13w	7.1*10-11w	2.8*10-12w

    模型一2G手机通话时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（2）意味着：模型一2G手机在1格信号情况下打电话，你将其放在脑袋边10cm处，等效于基站离你仅88厘米，1米都不到哦；而如果你使用蓝牙耳机，手机离脑袋心脏大于半米，等效于基站在2.2米处，也好不到哪里去。这个时候手机辐射成了最大的伤害源。信号不好时，更要让手机离人体远点。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (2000m)	手机		蓝牙耳机(1mw) (0.1m)
	(0.1m)	(0.5m)
2.5*10-13w	0.14w	5.7*10-3w	1*10-5w

    模型一，3G网络：

    对于1.9GHz的3G信号，采用COST-HATA模型并带入数值简化得到：PL=34.5 + 35log10(d) dB。手机的衰减采用自由空间衰落，简化后得到：PL=38+20log10(d)dB。

    模型一3G手机待机时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（3）意味着：模型一3G手机待机时，你将其放在裤子口袋里，离脑袋心脏约半米距离，等效于基站在743米处；而如果你将其吊在胸口，离心脏仅有10cm，那么等效于基站在296米处。可见把手机放在胸口还是有相当大的辐射的。因此在此模型下，2G手机待机时，只要把手机放在离人体稍远的地方，主要的辐射源是基站。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (2000m)	手机
	(0.1m)	(0.5m)
2*10-14w	1.6*10-11w	6.3*10-13w

    模型一3G手机通话时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（4）意味着：模型一3G手机在1格信号情况下打电话，你将其放在脑袋边10cm处，等效于基站离你仅1.2米，仅1米哦；而如果你使用有线/蓝牙耳机，手机离脑袋心脏大于半米，等效于基站在3米处，也好不到哪里去。这个时候手机辐射成了最大的伤害源。信号不好时，更要让手机离人体远点。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (2000m)	手机		蓝牙耳机(1mw) (0.1m)
	(0.1m)	(0.5m)
2*10-14w	4*10-3w	1.6*10-4w	1*10-5w

    模型二，2G网络：

    本模型中，基站信号和手机信号的衰减模型均同模型一。

    模型二2G手机待机时，其情况与结论同模型一，故不赘述。

    模型二2G手机通话时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（5）意味着：模型二2G手机在满格信号情况下打电话，你将其放在脑袋边10cm处，等效于基站离你仅2米；而如果你使用蓝牙耳机，手机离脑袋心脏大于半米，等效于基站在5.2米处，稍微强些。因此可见：1. 通话时无论何时都尽量将手机拿远点，这可是实测信号强度哦；2. 布设更多的基站，从而减小手机在通话时的信号功率应该还是有效果的，前提是基站不能离人太近。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (500m)	手机		蓝牙耳机(1mw) (0.1m)
	(0.1m)	(0.5m)
7.9*10-10w	6.8*10-3w	2.7*10-4w	1*10-5w

    模型二，3G网络：

    模型二3G手机待机时，其情况与结论同模型一，故不赘述。

    模型二3G手机通话时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（6）意味着：模型二2G手机在满格信号情况下打电话，你将其放在脑袋边10cm处，等效于基站离你仅4.9米；而如果你使用有线耳机，手机离脑袋心脏大于半米，等效于基站在12.3米处，也好不到哪里去。这个时候手机辐射是最大的伤害源。因此可见：1. 通话时无论何时都尽量将手机拿远点，这可是实测信号强度哦；2. 布设更多的基站，从而减小手机在通话时的信号功率应该还是有效果的，前提是基站不能离人太近。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (500m)	手机		蓝牙耳机(1mw) (0.1m)
	(0.1m)	(0.5m)
6.3*10-11w	2.7*10-5w	1.1*10-6w	1*10-5w

（注：蓝牙耳机此时的功率和手机相当，辐射也接近。。。）

    模型三，2G网络：

    本模型中，基站离人体很近，COST-HATA不再适用，因此采用COST-231中的Walfisch-Ikegami (LOS)模型（http://en.wikipedia.org/wiki/Cost_231_Model）。对于900MHz的GSM信号，带入后简化为：PL=23.7 + 26log10(d) dB，算下来信号的衰减与距离的2.6次方成正比。而手机仍采用同前面模型一和模型二的公式。

    模型三2G手机待机时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（7）意味着：模型三2G手机待机时，你将其放在裤子口袋里，离脑袋心脏约半米距离，那么基站至少要大于10.7公里远，其辐射才会小于手机；而如果你将其吊在胸口，离心脏仅有10cm，那么等效于基站在3.1公里处。可见此时无论如何，基站都是最大的辐射源。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (20m)	手机
	(0.1m)	(0.5m)
3.5*10-5w	7.1*10-11w	2.8*10-12w

    模型三2G手机通话时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（8）意味着：模型三2G手机通话时，你将其放在脑袋边10cm处，等效于基站离你9.8米；而如果你使用耳机，手机离脑袋心脏大于半米，等效于基站在33.8米。对应此模型，显然基站的辐射成了主要伤害。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (20m)	手机		蓝牙耳机(1mw) (0.1m)
	(0.1m)	(0.5m)
3.5*10-5w	2.3*10-4w	9.1*10-6w	1*10-5w

（注：蓝牙耳机此时的功率和手机相当，辐射也接近。。。）

    模型三，3G网络：

    对于1.9GHz的3G信号，采用COST-Walfisch-Ikegami (LOS)模型并带入数值简化得到：PL=30.2 + 26log10(d) dB。而手机仍采用同前面模型一和模型二的公式。

    模型三3G手机待机时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（9）结果同公式（7），故结论同模型三2G手机。（因为COST-Walfisch-Ikegami模型和free-space模型中关于载频的项相同，约掉了。故结论与载波频率无关）

此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (20m)	手机
	(0.1m)	(0.5m)
7.9*10-6w	1.6*10-11w	6.3*10-13w

    模型三3G手机通话时，基站到人体的距离D与手机到人体的距离d满足如下条件时，对人体的辐射相同：

    公式（10）意味着：模型三3G手机在基站旁用最小功率打电话，你将其放在脑袋边10cm处，等效于基站离你1.3公里；而如果你使用蓝牙耳机，手机离脑袋心脏大于半米，等效于基站在4.4公里外。很显然，这个时候基站辐射是最大的伤害源。

    此时在人体处的电磁波功率为：

基站 (20m)	手机		蓝牙耳机(1mw) (0.1m)
	(0.1m)	(0.5m)
7.9*10-6w	1.6*10-10w	6.3*10-12w	1*10-5w

（注：蓝牙耳机此时的功率反而远高于手机，毕竟基站的灵敏性和解调能力远高于普通蓝牙装置）

结论：

    没有总结的文不是好博。

    做表（一）如下，列出在各种模型下，手持手机10厘米和半米远，分别等效于多远处有一个20w的基站在发射电磁波信号：

表（一）

手机类型	手机状态	手机距人体(m)	等效基站距离(m)
			模型一(远)	模型二(中)	模型三(近)
2G	待机	0.1	398	398	3.1*103
		0.5	1000	1000	10.7*103
	通话	0.1	0.88	2	9.8
		0.5	2.2	5.2	33.8
3G	待机	0.1	296	296	3.1*103
		0.5	743	743	10.7*103
	通话	0.1	1.2	4.9	1.3*103
		0.5	3	12.3	4.4*103

    上表看出：

1. 待机时，手机的等效基站距离都比较远，可见待机时主体伤害均为基站；

2. 通话时，模型一和模型二的手机等效基站距离很近，此时手机是主体伤害；但是到了模型三，即基站离人体很近的时候打手机，主体伤害反而成了基站（即标红的三个红格子）

    做表（二）如下，分别列出在各种模型下，基站和手机信号衰减到人体处的功率：

表（二）

网络类型	信号源	距人体(m)	人体处电磁波功率(w)
			模型一 (2000m)	模型二 (200m)	模型三 (20m)	蓝牙耳机 （0.1m)	手提笔记本 （0.3m)
2G	基站	-	2.5*10-13	7.9*10-10	3.5*10-5	1*10-5w	3.5×10-5w
	手机 待机	0.1	7.1*10-11	7.1*10-11	7.1*10-11
		0.5	2.8*10-12	2.8*10-12	2.8*10-12
	手机 通话	0.1	0.14	6.8*10-3	2.3*10-4
		0.5	5.7*10-3	2.7*10-4	9.1*10-6
3G	基站	-	2*10-14	6.3*10-11	7.9*10-6
	手机 待机	0.1	1.6*10-11	1.6*10-11	1.6*10-11
		0.5	6.3*10-13	6.3*10-13	6.3*10-13
	手机 通话	0.1	4*10-3	2.7*10-5	1.6*10-10
		0.5	1.6*10-4	1.1*10-6	6.3*10-12

    注1：既然都说蓝牙辐射不大，那么蓝牙功率在此可以作为一个标杆

    注2：20米远的基站辐射到人体，就和近在耳边的蓝牙功率相同了。。。

    注3：手提笔记本电脑放在30cm远的地方，看起来其辐射与蓝牙相当，还是可以接受的 

最终结论：别让基站出现在自己周围！

（csdn的编辑器怎么编辑上角标（幂）啊？）