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：
这里Ae是有效面积，而Gt是传输天线增益，Pt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：
Pt=Pa+Pr
其中Pa是天线辐射到远处的功率，Pr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：
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：
其中Pb,h为基站对人体的辐射功率，计算公式如式（1）所示，Mb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SARm,h计算式如下：
式（4）中Pm,h为移动台对人体的辐射功率，可以用式（2）计算，Mh为吸收辐射的人体器官质量。
下面将对在一定电磁辐射约束条件下的上行链路与下行链路的传输速率进行分析。
假设SARmax是人体最大可允许接受的电磁辐射SAR，Ruo、Rdo分别是电磁辐射约束条件下上下行链路的最大可传输速率。
对于上行链路，考虑移动台对人体辐射的SARmax为：
式（5）中Pm,h用式（2）代入得
同时移动台发射功率Pt可以表示为：Pt=Eub×Ruo。为上行链路的最大可传输速率，Eub为每比特发送能量，代入式（6）得：
对于下行链路，考虑基站对人体辐射SAR’max
式（8）中Pb,h用式（1）代入得
基站发射功率Pt=Edb×Rdo,Rdo为下行链路的最大可传输速率，Edb为每比特发送能量，代入式（9）得：
由式（7）、（10）可以得出单用户的上下行链路最大传输速率之比：
下面通过一个例子来说明上下行链路最大传输速率的非对称特性。
在式（11）中，假设有效面积Ae即人体表面积约为1.7 m2，发送天线增益Gt设为1，人体与基站的距离为50 m，Eub=Edb。
第一种移动台使用模式下，天线传输效率η为57%左右，人体器官质量Mh（即头部质量）占人体总重量的8%左右。代入式（11），得到单用户的上下行链路速率之比为
第二种移动台使用模式下，天线传输效率η为85%左右，人体器官质量Mh（包括部分胸部和头部的总质量）占人体总质量的15%[8]，单用户的上下行链路速率之比为：
由此可以看出，在电磁辐射约束条件下，移动通信系统下行链路的传输速率远远大于其上行链路传输速率，在第二种使用模式，高速下行业务的情况下，上下行最高传输速率之比约为105数量级，上下行链路具有显著的非对称传输特性，上行链路更容易达到传输能力饱和，下行链路拥有更大的传输速率余量和发射功率余量。同时可看到，计算基站对人体的辐射时，选用的是自由空间传播模型，路径损耗随d2的增加而增加。而在一般的传播环境下，路径损耗公式为PL=k×d-n×f-m（式中k为常数，n为路径损耗因子，m为频率因子）。由此可以看出路径损耗随dn的增加而增加，n的值通常为2-5。表1中列出了在第二种使用模式下。不同的n对应的上下行传输速率之比。从表1中可以看出，随着n的增加，上下行链路具有更显著的非对称特性。
| n | 3 | 4 | 5 |
| Rdo/Ruo(dB) | 59.66 | 76.64 | 93.64 |
因此，对移动通信系统应当有一个全新而清醒的认识。未来移动通信系统的速率将大大提高，然而它的传输设计必须要考虑电磁辐射的影响，特别是上行链路的传输容量不能随着业务需求的增长而随意增长。从以上的分析可以看出单用户的上下行链路容量的非对称将成为未来移动通信系统的显著特点。
3、在电磁辐射约束下提高单用户的上行链路容量的方法
在电磁辐射约束的前提下，如何提高移动台的传输容量是未来移动通信系统需要解决的一个重要问题。
从式（7）可以看出，影响移动台对人体辐射的SAR的主要因素有3个：正确接收信息所需要的每比特能量、信息速率和天线传播效率。在SAR一定的前提下，提高Ruo即上行链路容量的方法如下：
（1）提高天线传播效率
首先研究新型防辐射材料和技术，减小移动台对人体的电磁辐射。其次使用距离人体更远的移动台，如使用笔记本进行非对称的高速业务，以降低其对人体的辐射。移动台的近场辐射强度随着距离的增加而迅速减小，从而降低了对人体的电磁辐射。
（2）减小系统正确接收移动台传输信息所需要的每比特能量
对于某一发射接收方案而言，正确接收信息所需Eb/No的是固定的，而噪声No包括接收机的热噪声和各种同信道干扰的残余量。可以采取以下方法减少Eb:降低接收机的热噪声；提高接收技术，如采用更好的信道编解码技术；减少同信道干扰；提高同信道干扰的压缩技术，如多用户检测技术和扩频技术。
4、结束语
本文从电磁辐射对人体影响的角度讨论了移动通信系统的非对称传输特性。论证了在一定电磁辐射约束的前提下，单用户的上行链路更容易达到传输能力饱和，单用户下行链路拥有更大的传输速率余量和发射功率余量。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的特征。移动通信的电磁辐射影响将是制约其上行链路传输容量增长的重要因素之一，应当在移动通信系统的研究、设计和应用中给予高度的重视。
参考文献
1 Holma H，Toskala A.WCDMA for UMTS-radio access for third generation mobile communications. New York：John Wiley & Sons Ltd，2000
2 Stevens P.Operator design and planning issues for UMTS networks.UMTS The R&D Challenges（Ref.No.1998/496），IEE Colloquium，Nov 1998
3 Povey G J R.A review of time division duplex-CDMA techniques. In：IEEE 5th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications，Sun City，South Afriea，Sep 1998
4 Esmailzadeh R，Nkagawa M.TDD-CDMA for wireless communications.Boston and London：Artech House，2002
5 刘亚宁.电磁生物效应.北京：北京邮电大学出版社，2002
6 李秀强，移动通信终端的EMC问题及防护.北京邮电大学硕士论文，2003
7 孙志刚，柳平，轻舟.移动通信终端电磁辐射对人体影响的FDTD分析，汕头大学学报，2004，19（5）
8 康刚，祝西里，王长清.单极天线手机对人体作用的电磁剂量学分析，北京大学学报，1996，32（9）
