5G 基站電磁環(huán)境監(jiān)測方法與實證研究

于海歡

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

2021 年全國移動通信基站總數(shù)已達996 萬個，全年新建5G 基站（第五代移動通信基站）超65 萬個，5G 基站的大規(guī)模建設引起了社會公眾對基站周圍電磁環(huán)境的持續(xù)性普遍關注。2021 年3 月實施的《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》為通信運營商落實《通信基站環(huán)境保護工作備忘錄》各項要求提供了技術支撐，為切實加強電磁環(huán)境安全管理提供了依據。本文既不同于在電磁兼容實驗室進行的理想環(huán)境中的測試，也異于選取代表性的基站進行的常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測，將排除了周圍環(huán)境中的其他電磁干擾源、且具備連續(xù)布點條件的2 處5G 天線作為研究對象，提供了相對可信的5G 基站周圍電磁環(huán)境空間分布規(guī)律，以便各通信運營商規(guī)范履行基站建設環(huán)保義務，關注基站周圍電磁環(huán)境質量，為5G 基站的綠色健康發(fā)展創(chuàng)造條件。

1 5G 天線與傳統(tǒng)天線的區(qū)別

與傳統(tǒng)的2G/3G/4G 基站（第二、第三、第四代移動通信基站）不同，5G 基站的工作頻段主要采用6GHz 以下頻段（FR1），運行頻率遠高于2G/3G/4G網絡；基站形態(tài)上由BBU（基帶處理單元）和AAU（有源天線單元）組成，其中BBU 負責基帶數(shù)字信號處理，AAU 是射頻拉遠單元（RRU）與天線一體的設備，負責將基帶數(shù)字信號轉為模擬信號、再調制成高頻射頻信號，通過PA（功率放大器）放大功率后由天線發(fā)射；引入了massive MIMO（采用更大規(guī)模數(shù)量的天線）和波束賦形等技術，建立了手機與基站之間的智能控制機制，動態(tài)調整相互之間的通話信道、發(fā)射功率等參數(shù)，使非常窄的波束能夠更聚焦于用戶。上述特點使得5G 基站對周圍的電磁環(huán)境產生了不同于傳統(tǒng)基站的電磁環(huán)境影響，且由于其覆蓋密度較傳統(tǒng)基站大，給電磁環(huán)境管理工作帶來了新的挑戰(zhàn)。

同時，5G 基站的天線會根據業(yè)務終端所處的位置和業(yè)務需求來進行波束賦形，發(fā)射不同能量的電磁波信號；基站運行期間天線發(fā)射功率、增益等都隨時根據用戶情況進行動態(tài)調整。水平面和垂直面上都有許多分量的分布情況，5G 基站電磁環(huán)境影響與傳統(tǒng)基站大不相同，其監(jiān)測方法也須區(qū)別對待。

2 5G 天線與傳統(tǒng)天線監(jiān)測方法的差別

2021 年3 月生態(tài)環(huán)境部頒布實施了《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》，明確了其替代《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》作為5G 及與其他網絡制式共址的移動通信基站電磁環(huán)境監(jiān)測的執(zhí)行標準。

該方法在HJ972-2018 的基礎上，更新了以下幾點：①選用選頻式電磁輻射檢測儀；②單次測量時長與GB8702-2014 要求一致，須保留6min 均值及頻譜圖；③要求配置5G 移動終端，并標注不同的測試場景和環(huán)境；④監(jiān)測布點范圍不再局限于50m 范圍內等。

3 典型5G 基站電磁環(huán)境監(jiān)測

區(qū)別于以往5～9 選取典型基站但難以排除干擾源的電磁環(huán)境監(jiān)測研究，測試位置區(qū)別于電磁兼容實驗室的理想環(huán)境，選取了2 處具備水平和垂直布點條件的5G 天線，同時排除了其他同頻段電磁發(fā)射源的干擾，以獲得水平或垂直高度上相對連續(xù)的電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)值的空間變化規(guī)律。

3.1 監(jiān)測對象與監(jiān)測設備

本次選取了兩處架設高度相同的位于建筑物頂部（商業(yè)辦公樓樓頂平臺）的5G 天線，布點均為公眾日?；顒与y以到達區(qū)域，以消除不可控的5G 移動終端的影響；同時，監(jiān)測期間除被測扇區(qū)天線外，其余扇區(qū)及基站周邊300m 覆蓋范圍內的其他同頻段基站臨時關閉。如表1 所示。

表1 5G 天線基本參數(shù)一覽表

測量期間使用選頻式電磁輻射監(jiān)測儀和非選頻式電磁輻射監(jiān)測儀兩種儀器，由于基站天線頻率一般在800MHz～6GHz之間，站址周圍電場強度的一般在0.2V/m～30V/m 之間，因此表2 中所列設備均滿足測量要求。

表2 監(jiān)測設備基本信息表

3.2 監(jiān)測方案與方法

本次監(jiān)測參照《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）、《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》、《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》等規(guī)定的方法進行布點，并結合現(xiàn)場實際情況進行調整。

天線1 的各測點與天線處于同一水平面，在垂直半功率角范圍內間隔10m布點，測量距離天線40m～100m的功率密度。天線2 利用高空作業(yè)車在天線的水平半功率角范圍內的50m距離上間隔10m 水平布點；垂直高度上，由于受垂直半功率角影響較大，按照3m 等間距布點，測量2m～26m 的功率密度。

3.3 監(jiān)測場景

本次共設置2 種場景：第一種場景區(qū)分是否引入5G 移動終端；第二種場景區(qū)分是否使用選頻測試儀器。

3.4 監(jiān)測結果

引入5G 終端進行波束引導，并將5G 終端放置于不同監(jiān)測儀器探頭的相鄰處進行數(shù)據灌包，不同設備的移動終端引入前后對比見表3。在距離天線40m 位置處，5G 天線陣子全部激活發(fā)射時，射頻選頻場強儀與非選頻場強儀的測量數(shù)據相差不大；但引入5G 移動終端進行波束引導后，二者的測量數(shù)據差異明顯。

表3 5G 移動終端的引入對5G 基站周圍電磁環(huán)境的影響（單位：W/m2）

在該5G 天線的水平和垂直主射方向內，同時引入6 臺移動終端進行視頻交互的應用場景下，不同儀器不同水平距離的電磁環(huán)境檢測值，結果見表4。可以看出，無論選用射頻選頻場強儀還是非選頻場強儀，都能得到電場強度隨距離衰減的顯著趨勢，且隨著距離的增大，二者電場強度的數(shù)據差異逐漸縮??；距離該5G 天線約60m 范圍時，測點數(shù)據方能滿足GB8702 要求，而非與傳統(tǒng)天線一樣，影響范圍基本局限于50m 范圍內。

表4 不同測量儀器對引入5G 移動終端時基站周圍電磁環(huán)境（單位：W/m2）

以5G 天線2 為中心，水平50m 距離上取4 個點，垂直空間上間隔3m 布點直至高于天線所在水平面，監(jiān)測點位測值見表5。在引入一個5G 移動終端的場景中，水平50m 處各個垂直高差上的測點數(shù)值呈現(xiàn)明顯的隨距離而衰減的趨勢，測點與天線的垂直高差越小，其測點數(shù)值越大。

表5 不同垂直高度上引入5G 移動終端時基站周圍電磁環(huán)境（單位：W/m2）

3.5 判斷依據及結論

我國結合IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）和ICNIRP（國際非電離輻射防護委員會）等機構研究成果，制定了電磁環(huán)境領域的基礎標準《電磁環(huán)境控制限值》，其中給出了電磁環(huán)境中控制公眾曝露的電場、磁場、電磁場場量參數(shù)任意連續(xù)6分鐘內的方均根值的限值要求。

理想測試環(huán)境下，通過對上述2 個天線電磁環(huán)境的監(jiān)測可以得出如下結論：

天線陣子全部激活發(fā)射時，采用符合量程要求的射頻選頻場強儀或非選頻場強儀，對5G 基站周圍電磁環(huán)境的測量結果的影響不大，但引入5G 終端進行波束引導時，推薦選用射頻選頻場強儀；

5G 天線周圍電磁環(huán)境功率密度測值在水平方向或垂直方向上都存在隨距離而衰減的趨勢，這一點與傳統(tǒng)基站天線相一致；但5G 天線周圍電磁環(huán)境功率密度在水平方向上隨距離而衰減的趨勢相對垂直方向衰減趨勢不明顯，垂直方向上的距離變化對電磁環(huán)境功率密度的影響更大；

隨著水平測量距離的增加，不同類型檢測設備對5G 天線功率密度測值的影響逐漸變?。?/p>

相同測點在不同應用場景下的電磁環(huán)境功率密度測值差異較大；

當引入較多的移動終端、且同一位置同一時間進行視頻交互的極端情境下，在5G 天線的主射方向上，50m 范圍內可能存在超出標準限值的情況。

4 建站思路與建議

為營造5G 基站周圍良好的電磁環(huán)境，提出如下基站建站思路與建議：

人員活動密集區(qū)域，建議宏站和微站結合，契合5G 密集組網高容量需求的同時，滿足5G 基站周圍電磁環(huán)境管理要求；

規(guī)范選用符合HJ1151 參數(shù)要求的射頻選頻場強儀開展5G基站及與其共址基站的電磁環(huán)境測量；

5G 基站周圍環(huán)境的不同點位的測量結果可能有較大差異，當5G 基站附近存在公眾可能長時間活動的環(huán)境保護目標時，應在環(huán)境保護目標與5G 天線之間的傳輸通道上布點檢測；

應結合基站所處環(huán)境，盡量獲取視頻交互等應用場景下的電磁環(huán)境功率密度測量數(shù)值；當公眾可達區(qū)域存在不達標情況時，與調整方位角、降低發(fā)射功率等相比，可優(yōu)先調整天線傾角以確保測點電磁環(huán)境功率密度達標；

5G 基站選站時，應盡量避免天線50m 范圍內有人員密集活動區(qū)域，防止公眾到達上述區(qū)域受到不必要的電磁環(huán)境影響。

5 結束語

隨著5G 用戶規(guī)模的不斷擴大，5G 基站的布局一定程度上對維護良好的電磁環(huán)境帶來挑戰(zhàn)，通信運營商在推動移動通信發(fā)展、加快網絡強國建設的同時，須嚴格落實《通信基站環(huán)境保護工作備忘錄》各項要求，將環(huán)境保護管理納入企業(yè)經營管理全過程，科學提升基站周圍電磁環(huán)境安全水平，強化移動通信電磁防護科普宣傳，保障公眾環(huán)境權益的實現(xiàn)。