5G 移動通信基站電磁輻射監(jiān)測與評價

鄔 東

（核工業(yè)二0 八大隊，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

5G作為新基建領域的抓手，已成為驅動行業(yè)數(shù)據(jù)流動和基礎設施體系升級的關鍵性支撐技術，“十四五”以來5G發(fā)展進入規(guī)?；瘧棉D化期，行業(yè)應用正以超乎預期的速度拓展商用場景。城市內的5G移動通信基站也因此分布越來越密集，民眾對基站電磁輻射環(huán)境安全的關注也日益密切[1,2]。

5G基站中大規(guī)模MIMO和天線3D波束賦形等關鍵技術的應用，使得5G基站天線的實際發(fā)射功率隨著覆蓋范圍內終端用戶數(shù)時刻發(fā)生變化，這個特點決定了5G基站電磁輻射的研究與傳統(tǒng)的基站有本質區(qū)別[3-5]。另外，由于運營商考慮節(jié)約建站成本等因素，5G基站的建設為非獨立組網(wǎng)方式，并且存在多站共址現(xiàn)象，造成5G基站周圍的電磁環(huán)境分析更加復雜[6]。了解5G通信基站電磁輻射對環(huán)境的影響特點，對5G通信基站電磁輻射水平定量監(jiān)測和評價、管理極為必要[7]。

本文通過對不同應用場景以及用戶不同的分布情況下，選取典型5G移動通信基站的電磁輻射環(huán)境進行了實測分析，有助于公眾對于5G移動通信基站在日常工況下的電磁輻射水平有基本了解，為監(jiān)測機構更加真實反應5G基站電磁輻射水平，管理部門更加科學的實施管理提供借鑒和參考。

1 監(jiān)測設備與方法

電磁輻射強度的測量可理解為對所形成的窄波進行測量，窄波的形成受網(wǎng)絡應用場景(如數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、虛擬購物等)，路徑損耗等因素影響。故在5G基站電磁輻射監(jiān)測時應著重考慮在用戶終端方向布點監(jiān)測，本次監(jiān)測根據(jù)弗林斯公式的特點來進行布點和理論測值計算，見式（1）。采用優(yōu)化布點原則使軸線上的點位都具有代表性，宏站應按10、20、40、80 m……的規(guī)律在基站和終端之間進行布點較合適，使電磁輻射功率密度測值隨著距離的平方呈指數(shù)減小[8]。

式中：Pd—基站平均輻射功率密度（W/m2）；P—基站發(fā)射機功率（W）；G—天線增益；r—測量位置與基站天線距離（m）。

1.1 監(jiān)測設備

使用北京森馥科技股份有限公司生產的OS-4P選頻式電磁輻射監(jiān)測儀，主機：OS-4P，探頭：三軸全向天線，天線類型為電場、偶極子天線，頻率范圍為30 MHz~6 GHz，完整覆蓋5G基站電磁測量需求，測量范圍為2.6×10-9~238 W/m2（1 mV/m~300 V/m），測量精度1 mV/m；選頻式電磁輻射監(jiān)測儀經中國信通院校準合格并處于校準期內（2022年6月15日—2023年6月14日），參加中國泰爾實驗室間能力驗證（儀器比對）結果為合格。

1.2 監(jiān)測方法

本次監(jiān)測與評價依據(jù)《HJ 1151—20205G移動通信基站電磁輻射監(jiān)測方法(試行)》[9]，《HJ/T 10.2—1996輻射環(huán)境保護管理導則:電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》[10]和《GB 8702—2014電磁環(huán)境控制限值》[11]。

選擇的測量時間為11:00—14:00和18:00—23:00城市電磁輻射的高峰期，在無雨雪大霧等復雜氣候條件下監(jiān)測，重復測量間隔時間不小于1 h，監(jiān)測范圍取基站架設高度4倍的距離作為最大監(jiān)測范圍。使用6 min測量值的平均值作為5G移動通信基站電磁輻射環(huán)境影響的監(jiān)測值，監(jiān)測時選頻儀架設在專用的三腳架上，保持天線距地面1.7 m，5G終端處于正常工作狀態(tài)與被測5G移動通信基站建立連接，本次測量使用mate40作為單用戶終端，如圖1所示。根據(jù)張保增[1]等人的研究及現(xiàn)場測試經驗設置儀器參數(shù)為：頻率范圍700 MHz~5 GHz，帶寬RWB：300 KHz，參考幅度為自動，噪聲抑制比3 dB。

圖1 單用戶情況下5G基站測量示意圖

為了多方面、多角度了解5G移動通信基站電磁輻射環(huán)境水平，選擇的5G測試基站發(fā)射頻率范圍不同，從屬運營商不同，基站架設高度也不相同。在福州市選取了3個5G宏站作為測試基站，選擇天線主瓣近場區(qū)測值較大（且主瓣方向上無明顯遮擋物）方向為測試方向，選擇測試的基站周圍200 m無其他5G宏站、高壓輸變電線路等，其基本信息見表1。

表1 5G測試基站基本信息

2 結果與討論

2.1 終端空間位置對5G基站電磁輻射水平的影響

在該測試情形下，終端架設高度為1.2 m，空間位置1架設在選頻儀正前方1 m，即基站與選頻儀之間，空間位置2架設在選頻儀左側方1 m，空間位置3架設在選頻儀正后方1 m。通過傳輸相同大小的數(shù)據(jù)流量，測試終端空間位置對5G基站電磁輻射水平測值的影響。

對三個基站的測試結果表明（表2）：相同水平距離時的監(jiān)測值大小總體為，位置3＞位置2＞位置1，相同空間位置下基站架設高度不同也會導致測試結果有顯著差異。這一結果的原因可能是：終端在位置1、2時，終端與基站之間的主電磁波束未被選頻儀探頭完整接收到。因而建議在日?；颈O(jiān)測過程中，測試終端置于基站與選頻測試儀器水平連線后端，更有利于5G基站電磁輻射水平測試結果的真實性和準確性。

表2 終端空間位置對基站電磁輻射水平的影響

2.2 不同應用場景對5G基站電磁輻射水平的影響

鑒于測試的可行性，選擇視頻交互、游戲娛樂、虛擬購物和數(shù)據(jù)傳輸四種典型應用場景作為5G基站電磁輻射水平的對比測試分析。

不同應用場景下的電磁輻射水平測試結果（圖2）為：數(shù)據(jù)傳輸＞游戲娛樂＞虛擬購物/視頻交互。數(shù)據(jù)傳輸模式下的功率密度遠大于后三者，但也遠小于40 μw/cm2的電磁環(huán)境控制限值，其原因是數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下網(wǎng)速一般為10~100 Mb/s，能較強的誘發(fā)基站發(fā)射電磁波束，使基站由無業(yè)務時“廣播”狀態(tài)下的低發(fā)射功率得到轉變，以一個通過提高發(fā)射功率來滿足終端的流量需求狀態(tài)。視頻交互、游戲娛樂和虛擬購物狀態(tài)下網(wǎng)速一般為200~800 kb/s，對基站電磁波束誘發(fā)能力弱，基站運行功率增量小，最終測得的功率密度小。

圖2 不同應用場景下的電磁輻射水平

2.3 數(shù)據(jù)傳輸時長對5G基站電磁輻射水平的影響

測試時長是評估5G基站電磁輻射水平的重要參數(shù)，由于5G基站的發(fā)射功率與終端數(shù)據(jù)傳輸量、有效的連接時長密切相關，測試時間越短，受終端與基站連接穩(wěn)定性的影響越大，測試結果波動也越大。測試時間越長，對于偶發(fā)的高電磁波束和通信中缺失的電磁波束都通過方均根檢波方式來計算積分結果，避免了測值大幅度波動，測試結果更穩(wěn)定，更能反映出基站實際工況下的電磁輻射水平。

測試結果（圖3）表明：功率密度測值大小與流量的傳輸時長成正比，即在數(shù)據(jù)傳輸場景下，固定位置終端與基站的數(shù)據(jù)傳輸時間越長傳輸文件量越大，電磁輻射水平越高，隨著傳輸時間的延長電磁輻射水平趨于穩(wěn)定。法國國家頻率管理局發(fā)布的《法國5G基站電磁輻射測試報告》也有類似的測試結果[12]。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸時長對基站電磁輻射水平的影響

2.4 斷面距離對5G基站電磁輻射水平的影響

基站電磁波束在實際場景中的傳播非常復雜，極易受到天氣、周圍環(huán)境和建筑物等的影響，即使不斷優(yōu)化理論計算模型，仍很難準確衡量不同基站在周圍環(huán)境中的電磁輻射水平。因而研究基站在不同斷面距離上的電磁輻射水平，是表征基站在周圍環(huán)境中輻射水平的重要方法。

因本次監(jiān)測重點關注基站在水平距離上的電磁輻射衰減，選取的基站主射方向上50 m距離內無登高面，在測試范圍內垂直方向上無法合理布點，故未進行等水平距離不同垂直高度上布點監(jiān)測。根據(jù)筆者日?；颈O(jiān)測工作中獲得的數(shù)據(jù)來看，在垂直斷面上主射天線下傾角延線與建筑物交點高度的電磁輻射強度最大，其余測點隨高度的增高或降低電磁輻射強度減弱，劉英華[13]相關監(jiān)測也有類似的結果。

數(shù)據(jù)傳輸模式（6GB）下測試結果（圖4）表明：電磁輻射監(jiān)測結果在水平方向上呈先上升再下降的趨勢，測試值在20 m時達到最大，遠場區(qū)測點的水平距離相同時基站架設高度越高功率密度測值越小。這可能是因為受基站天線下傾角的影響，信號波束在水平方向的強度大于垂直方向上的信號強度（圖1），兩個方向信號波束共同作用后出現(xiàn)該結果，且架設高度一定時，遠場區(qū)測點的水平距離與基站架設高度接近時信號波束越強。在理論計算情況下（式1，圖4內圖）不同水平距離的測值同實際測值有很大差異，這是由于理論公式是按基站額定功率計算的，而實際情況下只有單個測試終端和基站業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸，基站實際功率遠低于標稱功率。此外，理論公式計算未考慮電磁波束在實際環(huán)境中的損耗、散射、反射等，故理論計算值和實際測值差距巨大。

圖4 斷面距離對基站電磁輻射水平的影響

3 結論

（1）單個終端在選頻儀水平距離1 m的不同空間位置對測試結果有一定影響，測試終端置于基站與選頻儀水平連線后端更有利于5G基站電磁輻射水平測試結果的真實性和準確性。

（2）應用場景不同會造成測試結果的不同，應用場景選擇數(shù)據(jù)傳輸且監(jiān)測時保證測試終端和基站6 min數(shù)據(jù)的穩(wěn)定連接能更好反映5G基站在有業(yè)務時的電磁輻射水平。

（3）當垂直距離一定時，遠場區(qū)測點的水平距離與基站架設高度接近時測值較大。理論公式計算得出的功率密度同實際測值差距巨大，不能直接作為衡量5G基站電磁輻射水平的依據(jù)。