5G移動通信基站電磁輻射測量評價

張保增，杜喜臣，馬 曉

(核工業北京地質研究院，北京 100029)

隨著我國新基建行動計劃的發布，5G作為新基建之首，處于重要戰略機遇期。北京市5G新基建的建設已實現五環內和北京城市副中心室外連續覆蓋，五環外重點區域、典型應用場景精準覆蓋[1]。5G基站的高密站距建設導致民眾對其產生的電磁輻射的關注度逐漸提高，同時也帶來選址的困難和民眾的大量投訴。

第五代移動通信技術是具有超大帶寬、超廣連接和超低延時特點的新一代寬帶移動通信技術。5G將成為支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的新基石[2]。5G基站的技術優勢包括大規模MIMO(multiple-input multiple-onput)和3D波束賦形等[3]。5G基站采用大規模MIMO天線技術，通道數量可達64T64R；而傳統基站(2G、3G以及4G)通道數最大8T8R；傳統基站信號類似從一個平面發射出去，電磁輻射只能在水平方向傳播，而大規模MIMO天線技術使的信號可以在水平和垂直方向進行傳播，從而實現集中輻射于更小的空間區域內(如圖1所示)，從而使基站與終端(手機等)之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，并隨用戶位置的不同而不同，將能量定向投放到用戶位置，相對傳統寬波束天線可提升信號覆蓋[4]，同時動態的波束賦形也造成基站產生的電磁輻射在基站周圍環境中的非均勻分布情況更復雜，變化更頻繁[5]。這些特點也決定了5G基站電磁輻射監測與傳統基站有很大的不同。

圖1 傳統基站和5G基站電磁輻射示意圖Fig.1 Diagram of traditional base station and 5Gbase station electromagnetic radiation

以北京5G基站為例，本文通過對5G監測儀器參數和應用場景的選擇，以及不同類型基站距離衰減規律的研究，提高自身監測能力的同時，旨在為監測機構日常監測提供參考。

1 測量設備和方法

我國目前部署的5G主要是Sub-6GHz頻段(410～7 125 MHz)。《電磁環境控制限值》(GB 8702—2014)[6]中：30 MHz～3 000 MHz電磁輻射限值為固定值；3 000 MHz以上頻段，其電磁輻射限值非固定值，而是與頻率相關。5G移動通信基站的工作頻率既有在3 000 MHz以下，也有在3 000 MHz以上,根據GB 8702中的規定，這兩類基站的限值是不同的，具體數據列于表1。

表1 不同運營商5G頻段電磁輻射控制限值[6]Tab.1 Control limits of electromagnetic radiation in 5G band for different operators[6]

為準確評估5G基站電磁輻射環境的影響，2021年3月1日生態環境部發布了《5G移動通信基站電磁輻射監測方法(試行)》(HJ 1151—2020)[7]。從電磁輻射監測的角度，表2列舉了5G基站和傳統基站監測方法的不同之處。

表2 5G基站和傳統基站監測標準的區別Tab.2 The difference of monitoring standards between 5G base station and traditional base station

選頻式電磁輻射監測儀需根據表1中的頻率范圍進行設置，根據測量目的的不同，還需設置其他參數，參數的選擇在一定程度上會影響監測結果。與傳統基站監測最大的不同是5G基站測量需要引入終端設備以及應用場景，這也帶來監測結果的不同。

由于5G基站使用大規模MIMO天線技術和3D波束賦形等新技術，PAWLAK等人[8]指出傳統測量基站電磁輻射水平的方法不適用于5G基站；雖然目前監測方法已頒布，但5G基站電磁輻射水平的研究尚處于初步發展階段；根據環境保護最嚴格的原則，如何測準確地評估5G基站電磁輻射環境的影響程度和范圍，一些測試難點仍需包括管理部門在內的各方繼續探討和研究。基于上述原因本文按照5G監測方法對單用戶情況下5G基站電磁輻射水平設計了相應的測試方案，并按照測試方案進行了實地測量。

1.1 設備

使用德國Nardo公司生產的SRM-3006選頻輻射分析儀，主機：SRM-3006，探頭：三軸全向天線，頻率范圍為420 MHz～6 GHz，測量范圍為0.14 mV/m～160 V/m，該測量探頭可以覆蓋表3中被測基站的工作頻率；選頻輻射分析儀經中國計量科學研究院校準合格并處于校準期內(2021年2月28日—2022年2月27日)，參加的實驗室間能力驗證(儀器比對)結果為滿意。

1.2 測量方法

本次測量依據《5G移動通信基站電磁輻射監測方法(試行)》(HJ 1151—2020)[7]和《輻射環境保護管理導則：電磁輻射監測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)[9]。

選擇測試的5G基站的基本情況：(1)架設高度和類型不同；(2)主射方向無遮擋，可以在水平距離100 m范圍內布設斷面；(3)網絡制式的要求：涵蓋不同工作頻率；(4)測試終端：5G手機。

選取3個5G宏基站作為測試基站。5G測試基站基本信息列于表3，其參數(基站下傾角、波瓣寬度、發射機型號等)均保持一致。

表3 5G測試基站基本信息Tab.3 5G test base station

《5G移動通信基站電磁輻射監測方法(試行)》(HJ 1151—2020)中規定：監測儀器的檢波方式為方均根檢波方式，結果類型為任意連續6分鐘內的平均值。監測時，被監測的移動通信基站應為正常工作狀態，5G終端設備應與被監測的5G移動通信基站建立連接并至少處于一種典型應用場景；監測儀器探頭(天線)置于監測儀器支架上，探頭(天線)尖端與操作人員軀干之間距離不少于0.5 m，并與5G終端設備保持在1～3 m范圍內[7]。5G電磁輻射監測方法只是規定了測試的基本要求，為了測試結果的準確性和復現性，測試過程需要結合監測設備和5G應用特點，選取不同的設備參數、應用場景和測試環境，模擬多種工作狀況等具體測試條件。因此，主要從監測儀器參數設置、應用場景選擇以及隨距離的衰減規律等方面設計測試方案，所有測試均遵循天線、儀器、終端位于一條線上，如圖2所示。

圖2 5G基站測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5G basestation measurement

2 測量結果與分析

2.1 監測儀器參數設置及測量結果分析

為了解SRM-3006參數設置對監測結果的影響，在相同測試條件(監測儀器和終端架設于天線主射正位20 m處，終端與探頭距離為1 m，場景為下載10 GB文件的數據傳輸模式，儀器噪聲抑制3 dB)下，通過選擇儀器的分辨率帶寬(RBW)、幅度(量程)等參數進行測試(見表4)，測試不同參數設置對測量結果的影響。

表4 監測儀器不同參數設置Tab.4 Different parameter setting ofmonitoring instrument

本次測試應用場景為的數據傳輸模式(下載10 G文件)，設置的儀器頻率范圍為420 MHz～6 GHz，持續時間需要3～5 min，由表5數據可知，改變分辨率帶寬時測量結果會有變化，但相差不大。其原因為RBW對頻譜曲線的影響體現在以下幾個方面：

表5 分辨率帶寬不同對測試結果的影響(10 GB數據下載)Tab.5 The impact of different RBW on test results

(1)當頻率掃描寬度一定的情況下，RBW設置得越小，意味著曲線底噪越低，但是同時由于采樣點更“密集”，參與計算采樣點也更多，測量結果更接近真實數據；RBW設置得較大，雖然曲線的底噪抬升，但是由于采樣點更“稀疏”，參與計算的采樣點也少，因此也降低了因底噪抬升而造成的測量結果偏大。所以RBW對積分結果無明顯影響。

(2)當頻率掃描寬度一定的情況下，即使在持續下載過程中，數據傳輸也不是勻速下載的，5G信號隨下載速率變化的波動性很大；因此RBW設置越小，單次掃描時間越長，如果單次掃描時間過長，有可能漏過部分非連續信號；同時如果頻率掃寬較大(比如全頻段掃描)時，RBW設置過小會造成單次掃描時間過長(大于1 s)，則很可能捕捉不到潛在的大信號，從而使得測量結果偏小。

反之,對于一定帶寬的調制信號，如果RBW遠大于帶寬，FFT(快速傅里葉變換)采樣時間窗越小，漏檢信號的概率也越高。

所以對于5G通信這種調制信號來說，選擇合適的范圍帶寬的RBW在測量過程也尤為重要。

1)垂直距離指的是5G天線架設高度與儀器探頭架設高度之間的差值，余表同。

SRM-3006選頻輻射分析儀的監測結果為設置頻率范圍內的所有電磁輻射的總和，設備的幅度不會隨監測結果的變化而自動調整，容易出現過載(飽和)測量；因此需要根據測試條件預設幅度的大小。由表6可知，相同測試條件下的測試結果會隨著幅度的增大逐漸升高，分析其原因是監測設備會自動調整前置衰減和電平變化，帶來讀數補償增大(底噪升高)，導致測量結果增大，甚至增大數倍。因此設置合適監測儀器的參數，得到的測量結果越準確。

表6 幅度不同對測試結果的影響Tab.6 The influence of different amplitude on test results

2.2 監測儀器與終端距離設置及測量結果分析

為測試監測儀器與終端距離不同時電磁輻射水平變化規律，選擇天線主射方向水平距離為10 m、50 m、100 m處三個點位，分別測試終端與探頭距離取1 m、2 m、3 m的電磁輻射。

5G基站的大規模MIMO和3D波束賦形的技術特點使天線發射的電磁波主瓣方向的波束較窄，方向性好，電磁輻射的主射方向隨終端位置的變化而變化。表7中數據顯示，當改變設備與終端距離時，電場強度會隨著執行業務的終端與監測儀器之間距離的增大而呈現一定的下降趨勢。圖3表明，當監測儀器與終端距離相同，水平距離相同時，基站高度也會導致測試結果有顯著差異。

圖3 監測儀器與終端距離不同對測試結果的影響Fig.3 The influence of different distance between the monitoring instrument and the terminal on the test results

表7 監測儀器與終端距離不同對測試結果的影響Tab.7 The influence of the distance between the monitoring instrument and the terminal on the test result

2.3 應用場景選擇及測量結果分析

目前常用的應用場景有數據傳輸、視頻交互和游戲娛樂，使用以上3種場景分別進行測試。儀器在主射方向水平距離20 m，終端與探頭距離1 m，監測儀器RBW設置為300 kHz，幅度5 V/m，噪聲抑制3 dB；游戲娛樂場景選擇0.5 s/次刷抖音并記錄6 min流量使用情況；數據傳輸場景流量使用與游戲娛樂相同；數據傳輸場景下使用不同流量；以此測試不同應用場景和相同應用場景不同數據流量時的電磁輻射水平。

不同應用場景的電磁輻射測試結果(表8)為：刷抖音(游戲娛樂)>數據傳輸模式>視頻交互。分析其原因為快速刷抖音時終端與基站6 min內一直建立著連接，數據傳輸模式與抖音消耗流量相同但終端與基站6 min內只能在較短時間建立著連接，視頻交互模式下雖然終端與基站6 min內一直建立著連接，但流量使用量很小。

表8 應用場景不同對測試結果的影響Tab.8 The impact of different application scenarios on test results

相同應用場景不同流量的電磁輻射測試結果(表9)表明數據流量使用量越多，電磁輻射電場強度就越大；主要原因是終端與基站6 min內建立連接的時間越長，電磁輻射電場強度就越大。采用大流量、全速下載的數據傳輸模式，存在測量結果超標風險。

表9 不同數據流量對測試結果的影響Tab.9 The impact of different data traffic on test results

2.4 距離衰減規律設置及測量結果分析

Massive MIMO和3D波束賦形技術使得天線發射功率和波束主瓣方向隨著用戶移動時刻發生變化[10]，這個特點決定了5G基站電磁輻射的研究與傳統的基站有本質區別，對于5G基站周圍的電磁輻射環境監測時間要求更連續更持久。因此在終端與探頭距離1 m；監測儀器RBW設置為300 kHz，幅度5 V/m，噪聲抑制3 dB；應用場景為數據傳輸(下載10 GB文件)；分別在天線與儀器的水平距離為5 m、10 m、15 m、20 m、30 m……100 m處分別進行測量；另外選擇偏離主射30°方向的水平距離20 m、50 m、100 m處進行測量，測試5G基站電磁輻射隨距離和偏離主射方向時變化規律。

因基站下傾角、架設高度的原因，在一定范圍內垂直方向上無法布點，電磁輻射監測結果在水平方向上有一個先上升再下降的趨勢，且架設高度越高時監測數據呈現出最大值的距離越遠，如圖4所示。基站1和基站2的電場強度最大值出現的位置符合“《5G 移動通信基站電磁輻射環境監測方法(征求意見稿)》編制說明[11]”中在理想環境下(基站覆蓋范圍內為平整的空地)當基站天線架設高度在22 m以上的移動通信基站天線發射的電磁波場強最大處在基站50 m以外的理論計算結果。基站3受架設高度限制，電磁輻射最大值出現在20 m左右。

圖4 不同天線架設高度衰減斷面對測試結果的影響Fig.4 Influence of attenuation section of differentantenna erection height on test results

5G基站的3D波束賦形技術使得天線發射功率和波束主瓣方向會隨著用戶移動時刻發生變化，表10測試數據表明同一基站在相同水平距離處，終端設備位置的變化對監測數據影響較小；考慮到監測條件的復雜性，盡量選擇主射方向進行監測。

表10 主射方向不同對測試結果的影響(V/m)Tab.10 The impact of different RBW on test results(V/m)

3 結論

本文結合《5G移動通信基站電磁輻射監測方法(試行)》(HJ 1151—2020)的相關要求，設計了5G基站電磁輻射測量方案，采用控制變量的方式進行了實地測量，總結了不同條件下的電磁輻射的變化規律，為5G基站的電磁輻射監測提供了基礎數據，對整個測試結果給出如下結論：

(1)測量結果的高靈敏度及可靠與否，一是取決于儀器內部的固有噪聲，二是儀器不能過載(飽和)測量。設置并選取合適的監測儀器參數，更有利于測試結果的準確性。

(2)應用場景的不同會帶來測試結果的不同，采用大流量、全速下載的數據傳輸模式，存在測量結果超標風險。

(3)本次衰減斷面的測試結果僅適用單用戶情況下5G基站電磁輻射變化規律，日常監測過程中的監測條件遠比本次測試復雜，測試結果也不盡相同。

(4)終端設備與基站在6分鐘測量時間內建立連接的時間占比以及所消耗的流量，都會直接影響著測量結果。

(5)建議測試時監測儀器RBW設置為300 kHz，幅度5 V/m，噪聲抑制3 dB；終端與探頭距離設置為1 m；情景模式采用數據傳輸(下載3 GB文件)；選擇天線主瓣方向進行布點。

在實際監測中，由于基站的架設高度、天線下傾角都有不同，基站覆蓋范圍內的環境特征也十分復雜(建筑物遮擋、反射、繞射等)，因此通過設置合理的監測儀器參數，選取合適的應用場景，在獲取5G基站的電磁輻射環境現狀的同時，也能實現監測結果的復現性，同時為監測機構準確測量5G基站的電磁輻射提供參考依據。