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城市微波通道和高空环境矛盾协调的探索

2/14/2005来源:卫星通信人气:11093

章惠祥 上海无线电监测站


  本文提出了城市微波通道和建筑高层环境的两大矛盾:建筑阻挡和电磁场功率密度问题。通过菲涅尔半径F1和辅助余隙的计算可以控制建筑高度,保护国家重要微波电路通道。通过电磁场计算,认为微波电路传输的能量远远小于我国环保与卫生部门规定的幅射量。并从政策管理上提出了自己的见解。

  一、微波通信传播及其特点

  微波接力通信主要指无线电频率3GHz-30GHz,波长在10cm-1cm,使用抛物面状天线,视距传波空间直射波的通信方式。由于其频带宽,容量大,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等各种电信业务均可以通过微波电路来传送。



  1.天线前方的净空区和菲涅尔区F0

  假如两个微波站之间均在平原田野地区,可视间距为50KM,根据地球表面的曲率半径计算,突起部分为50M。见图(1)



  实际电磁波的空间传播要复杂的多。例如城市有大量的高层建筑,电磁波被阻挡就会产生折射作用,大气层的温度、湿度、压强以及天气的变化都会使电磁波产生不同的折射,都会引起路由的不规则性,因此要有足够的余隙。

  微波通信的直线传播原理决定了微波传输路由上的不可阻挡性,就像空中飞行航路一样,需要一定的“净空区”,国家标准GB-4821规定:微波接力站天线的正前方有一定的空旷地带(即净空区)。净空区要求见图(2)所示。在此范围内不应有森林、较高的树木、 建筑物,金属构筑物等。当抛物面天线直径D=3.5m时,10D=35m 8.3D=30m 17.20D2/λ=1500m=1.5km



  根据惠更斯——菲涅尔原理,波源在一定的介质内按一定的规律传播,由于波的干涉作用的结果,就形成一个接一个新的波前面,就像一个个环带,这种现象称为菲涅尔带。在微波发信和收信之间所形成的通道称为菲涅尔区。微波接力通信的电磁波能量及所携带的信息就是菲涅尔区内辐射场的总和。为了提高传输方向性,使用的抛物面天线,它的传输菲涅尔区呈椭圆状形,而主要能量集中在第一菲涅尔区内,第一菲涅尔区半径用F1表示,(如图3)其最小菲涅尔半径用F0表示。FO=0.577F1。F0也可理解为“禁区’。阻挡物不可闯入微波通信通道的“禁区”。



  2.辅助余隙问题

  收发之间的直射线恰好与地形的最高点相切,信号就不能作为自由空间传播的模式计算,接收点不可能得到相应的信号强度,有关资料表明需要6dB以上的衰耗。此外,低空大气对流层是受气象变化的不均匀的媒质,不同的气象条件会造成电波的折射作用,引起反射 波电场的变化,改变原直射波的路径,影响信号的稳定度。此外,城市高层楼顶上的附加建筑构件,如广告、灯箱、塔座等等都是应该考虑的因数,因此,城市上空的微波通道路由一定要留有“辅助余隙”。

  上海无线电管理和通信业内人士普遍认为,上海微波路由的辅助余隙控制在10米为恰当。

  二、微波路由的阻挡问题

  1.高层建筑阻挡微波路由日益趋严重

  目前上海城区上空大概有近200条微波电路。它们有不同的频率,不同的高度,不同的路由,不同的极化方式,彼此避让,互相协调,是一张看不见空中交通网。这些通信微波站的微波电路分布在电信、电力、海运、海事、广播电视、气象、公安、防汛、海关、铁路、政府等各类部门一这几年,城市发展了,各通信单位把微波通信的铁塔架到了高层顶上,希望改善空中路由的条件,但是他们周围的高楼纷纷拔地而起,给通信造成了新的困难,像地处人民广场旁的上海电信大楼楼高120米,二十多年前刚建成时,他们的微波通信电路到各个方向非常畅通,电路质量十分理想,而现在,他的周围高楼林立,几乎处于包围之中(如图3照片),几年前,在他前面的一栋大楼施工时阻挡了该站经嘉定区到江苏的国家干线路由。由于电路重要不能受影响,工程不得不暂停,协调时间达数月,经济损失数千万。这样的例子目前时有发生,微波通道和高层建筑之间协调的课题明显地摆在我们面前。

  2.上海规划建设的“蓝线”控制

  为了合理的解决矛盾,上海市规划局和上海市无线电管理局几年前联合调查过上海微波通道的状况,把国家微波干线的空中通道作为城市“蓝线”控制,纳入城市规划控制要素管理,凡是涉及“蓝线”的高层建筑的建设都要得到上海无线电管理局的咨询指导。

  三、卫生和电磁场环境的标准

  1.环境问题日益受人关注

  一方面城市高层建筑越来越多地阻挡微波电路,影响通信质量。另一方面高层居住者越来越多地接近电磁场环境,人们也越来越关心自己的居住的环境,有些人看到天线就会感到紧张,感到不舒服,管理部门受理电磁场环境的投诉事件时有上升。

  2.我国卫生标准

  关于微波的容许幅射限值即卫生标准最早是有前苏联和美国分别于20世纪50年代提出的,80年代,我国根据国内外长期研究和实践的积累,提出了、中国标准。国家规定GB10436-89幅射卫生标准是:对连续发射的电磁波,每日的8小时中平均功率密度为50μw/cm2。

  四、微波阻挡问题的解决方法

  微波阻挡问题是世界各大城市普遍遇到的问题,国家无线电管理局和国家建设部2004年着手联合就《微波通道和城市高层协调发展》调研,在此就我个人经验和体会提出一些看法和算法。

  1.严格保护若干国家重要微波电路空中通道,并纳入城乡规划管理要素,已受保护的微波通道须限定保护时间。前面提及本市微波电路有两百余条,根据电路容量,路由跨度,可替代性等几个方面的测算,特别重要的电路大致数十条,主要用于中国电信的公众通信、中国电力的跨省调度通信,中国海运的国际通信等,这些单位的电路应严格保护。中国电信的六条电路还报市人民代表大会常务委员会通过保护时限。这些电路的主管部门应及时将自己的微波站电台参数、条件,定期地向市规划部门和无线电局报告,取得这些部门的支持。

  为了不制约城市发展,同时要求通信部门加强微波被有线电替代的计划的实施,如超过保护时限、时期,必须重新审定其重要程度,该撤销的撤销,该延长的延长,不搞”一劳永逸”的终身制。

  2.新建长途传输电路枢纽站一般不得用微波通信方式进入城市中心和开发区。

  目前国家通信部门的多家经营化,例中国移动,中国联通,中国网通也开始大量使用微波,有的也是跨省际的,他们也纷纷提出保护的要求。对于新兴的通信部门,通信和无线电主管部门要求他们在通信网络的策划阶段就开始多用有线方式,不支持用无线作为干线进入中心城区、开发区,不用无线作为电路枢纽,尽量避免引发微波通信和城市规划高楼之间的新矛盾。

  3.鼓励微波传输作为应急通信手段,备份手段。更多地用于抗灾、救灾、突发事件等场合。

  随着城市的不断扩大,伴随着不少突发事件和灾难的发生。例如局部的积水、路面破坏、局部火警火灾、人为破坏等等。而微波的应急能力在上述场合是有线电远远不能及的。因此微波通信设施多用于突发和应急情况为上策。

  4.合理利用城市新建的建筑高层制高点,完善已建立的空中保护通道。因为新建一条微波保护通道是极其不容易的。以中国电信为例,上海电信大楼是通向我国北方、南方、卫星地球站和国际海缆登陆局等数个方向的重要微波枢纽站,上海规划部门多年来一直致力于对他们的空中保护,因此对几个固定方向的路由,若遇到阻挡现象可考虑在新建大楼顶上设立微波中转站,从而尽量保留和改善原有的通道。

  5.在中心城区周围建立几个新的微波枢纽站,并通过光缆连接各枢纽站。由于中心城区的不断扩大,微波通信的需求也在不断扩大,因此可以考虑中心城区的周围新设几个微波中转站.但必须搞集约化建设,鼓励多个通信部门在集约化的指导下,建设新的枢纽站。据有关部门的初步调查,可以在徐家汇,宝山,陆家嘴几个高层集中的地方新建微波枢纽站,各大通信公司若有新的路由需求,可向几个枢纽站集中,再由光缆互相连接,必需时也可用微波连接。

  6.严格管理城市微波电路。设台的参数诸如设台地址、台站的数量、通道路由、天线高度等不得任意更改。由于各家电路使用单位都有自己的特殊性,以及微波通信的灵活性,机动性,因此造成目前有些通信单位随意更改电路和路由,缺乏事先规划,所以造成和城市高楼阻挡之间的矛盾时有发生,在此有必要强调无线电管理的法规意识。

  7.城市中心不得单立微波高塔。在高层楼顶而立的微波天线要有一定的审批程序,注意城市的自然景观和生态环境。单立微波高塔的情况在世界各地都有。这些微波站或通信站的设立,往往避开高密度人口,少有高层建筑的地方。我国各大城市单立高塔的情况也不是少见。有些地方微波通信的两个端点很可能其中有一端是单立微波高塔的,由于受高塔建设成本的制约,所建高塔样式单调,而且和周围环境不协调的现象非常普遍,因此有必要提出这一点。

  8.重要的微波电路、路由与高层建筑发生冲突时,应执行管理部门的协调方案。矛盾常常是不可避免的,为此协调工作也是不可少的。各地城市有必要根据自己城市管理的实际情况建立协调程序。在上海对于国家级保护电路,规划部门要求他们能提供1∶2000的路由地图。在可能涉及国家保护电路的菲涅尔区的地方,必须由无线电管理局提供技术咨询。发生有冲突可能时,应及有工作小组协调处理。例如,中国电信曾有一条上海大陆通达长江口长兴岛的电路,当时长兴岛受国家重点工程的征用,经过友好协商,很快解决问题,中国电信调整了微波通信路由。

  9.除了城市规划控制的主要程序,在全市近二百条微波通道的管理中,我们还有许多具体情况需要处理,有些电路需要具体的计算,诸如拟建的建筑物物顶可能和电波相交的高度,拟建建筑物最大极限高度,环保卫生部门所关心的电磁场强度E(电场强度),H(磁场强度),S(功率密度)的计算都是需要顾及的。

  五、对重要微波电路的关键结论:

  1.严格保护重要微波天线近场区。以电信大楼楼顶3.5小米抛物面天线为例,宽度为35m,远近1500m以内为净空区。不能有任何阻挡物。

  2.通道路由宽度,根据第一菲涅耳区半径计算,且附加余隙10米。

  3.满足计算的限高和宽度,S、E、H、值都能满足卫生和环保部门的要求。

  章惠祥 1947年6月出生。1975年毕业于上海市工程技术大学无线电系,长期从事微波、短波和卫星地球的通信工作。1991年开始从事无线电频率、台站管理工作。曾参与上海微波通信和城市高层建筑协调发现和管理对策研究,获得上海科技成果奖。


摘自 中国电信