顧劍宇 陳嘯

摘? 要：隨著5G通信基站的大規(guī)模建設(shè)，5G通信基站的電磁輻射安全成為居民日漸擔(dān)憂的問題，所以了解各因素對(duì)周圍電磁輻射水平的影響是環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測的關(guān)鍵之一，該文通過現(xiàn)場監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，以期分析結(jié)果能為相關(guān)監(jiān)測工作者提供一些幫助和參考。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)基站；電磁輻射；MIMO天線；基站監(jiān)測；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：X705? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0008-07

Abstract： With the large-scale construction of 5G communication base stations， the electromagnetic radiation safety of 5G communication base stations has become a growing concern of residents， so understanding the impact of various factors on the surrounding electromagnetic radiation level is one of the keys to environmental on-site monitoring. This paper analyzes and studies the data obtained from on-site monitoring， in the hope of providing some help and reference for relevant monitoring workers.

Keywords： 5G mobile base station; electromagnetic radiation; MIMO antenna; base station monitoring; data analysis

政策和技術(shù)迭代，智能網(wǎng)聯(lián)升級(jí)等共同驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)了無線基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展。全國范圍內(nèi)運(yùn)營商啟動(dòng)了2G/3G頻譜重耕，原先分配給運(yùn)營商2G/3G的頻譜目前被大大壓縮，優(yōu)質(zhì)頻譜資源被用于4G和NB-IoT。5G相對(duì)4G而言優(yōu)勢明顯，擁有更低的延時(shí)和更高的帶寬。萬物互聯(lián)場景下，5G商用將帶動(dòng)更廣闊的下游應(yīng)用場景發(fā)展，如自動(dòng)駕駛、AR＼VR等。2019年6月6日，工業(yè)和信息化部正式向中國移動(dòng)、中國電信、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照。2019年10月31日，中國5G網(wǎng)絡(luò)正式進(jìn)入商用時(shí)代，5G移動(dòng)通信基站建設(shè)規(guī)模進(jìn)入提速階段，其數(shù)量和覆蓋范圍均迅速增大[1]。截至2023年2月末，我國5G基站總數(shù)達(dá)238.4萬個(gè)，占移動(dòng)基站總數(shù)的21.9%，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)[2]。

與此同時(shí)，5G通信基站的大規(guī)模建設(shè)引發(fā)社會(huì)公眾對(duì)基站周圍電磁環(huán)境的持續(xù)性關(guān)注。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測5G通信基站周邊電磁輻射環(huán)境，采集分析了5G及其他網(wǎng)絡(luò)制式移動(dòng)通信基站的電磁輻射場強(qiáng)數(shù)據(jù)，研究了各因素對(duì)周圍電磁輻射水平的影響，可為今后通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供參考。

1? 5G通信基站環(huán)境影響特性與電磁輻射安全

1.1? 5G移動(dòng)通信基站環(huán)境影響特性

5G使用了Massive MIMO和3D波束賦形等關(guān)鍵技術(shù)，由4G固定端口功率與定向天線的電磁輻射模式向用戶隨動(dòng)的窄波束模式轉(zhuǎn)變，使得5G天線的實(shí)際發(fā)射功率和天線波束方向隨基站覆蓋范圍內(nèi)小區(qū)用戶的業(yè)務(wù)需求空間分布變化。與傳統(tǒng)的扇區(qū)天線（約120波束寬度，約17 dBi增益）相比，波束賦形的mMIMO天線可以產(chǎn)生高增益的窄波束（5～30波束寬度，高達(dá)24～25 dBi或更高增益），波束具有很強(qiáng)的指向性，使基站發(fā)射的射頻信號(hào)功率在特定方向上更加集中，以便更好地將射頻能量對(duì)準(zhǔn)即時(shí)接入用戶，提高了信噪比，最大限度地減少來自相鄰用戶的干擾，提高整體信道寬帶傳輸性能[3]。

5G移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境影響特性表現(xiàn)為：當(dāng)5G通信基站覆蓋范圍內(nèi)用戶沒有業(yè)務(wù)需求時(shí)，基站處于信號(hào)“廣播”狀態(tài)，在基站的覆蓋范圍內(nèi)不斷進(jìn)行用戶搜尋，此時(shí)基站的實(shí)際發(fā)射功率很低；當(dāng)5G通信基站覆蓋范圍內(nèi)用戶業(yè)務(wù)需求量增加時(shí)，基站與終端用戶建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)連接，基站執(zhí)行上、下行通信，基站的實(shí)際發(fā)射功率大小與小區(qū)內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)需求類型（即應(yīng)用場景，如數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、游戲娛樂、虛擬購物、智慧醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用和車輛網(wǎng)等）直接相關(guān)，即5G電磁輻射強(qiáng)度與數(shù)據(jù)下行速率顯著相關(guān)。此外，多用戶mMIMO技術(shù)可以通過使用多個(gè)波束如2波束、4波束或8波束，同時(shí)針對(duì)多個(gè)空間分離的用戶，從而提高業(yè)務(wù)吞吐量并減小時(shí)間延遲[4]。當(dāng)一個(gè)基站同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)時(shí)，發(fā)射機(jī)的功率被分配到不同的方向，此時(shí)指向用戶的波束輻射強(qiáng)度將下降。

1.2? 電磁輻射

5G移動(dòng)通信基站輻射屬于電磁輻射，是能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間并在空間傳播的現(xiàn)象。電磁輻射對(duì)機(jī)體的危害主要為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，沒有確定性的遺傳效應(yīng)。熱效應(yīng)是指電磁波將能量傳遞給機(jī)體的原子或分子，使其加速運(yùn)動(dòng)，引起機(jī)體升溫，影響機(jī)體的工作。一般認(rèn)為功率密度大于0.1 W/m2時(shí)才會(huì)出現(xiàn)熱效應(yīng)，而當(dāng)能量小吸收慢時(shí)，人體通過自我調(diào)節(jié)也可以及時(shí)把吸收的熱量散發(fā)出去，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的溫度上升。非熱效應(yīng)是指機(jī)體受到電磁波干擾后，自身穩(wěn)定的微弱電磁場被干擾和破壞，溫度雖無明顯升高，但細(xì)胞原生質(zhì)發(fā)生改變致機(jī)體受到損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響人體的循環(huán)、免疫、生殖和代謝功能[5]。目前關(guān)于電磁輻射危害的研究存在較多爭議，只能確定其存在生物學(xué)效應(yīng)，具體的危害尚無定論。一般認(rèn)為符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》的電磁暴露對(duì)環(huán)境和身處該環(huán)境中的生物體是安全的。

2? 研究方法

2.1? 基站選址

選取通信基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)達(dá)、人口密度大的上海市中心城區(qū)靜安區(qū)為代表性研究地點(diǎn)，考慮到大部分5G移動(dòng)通信基站的選址位于人口稠密區(qū)域、基站周圍一般都有大量的建（構(gòu)）筑物、5G用戶接入數(shù)的不可控及5G實(shí)時(shí)功率的波動(dòng)等因素，篩選出某公園內(nèi)部基站進(jìn)行監(jiān)測，使影響因素相對(duì)可控。

2.2? 監(jiān)測方案

依據(jù)HJ 1151—2020《5G移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》分別在不同應(yīng)用場景（數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、游戲娛樂和虛擬購物）和不同距離下對(duì)公園內(nèi)部基站進(jìn)行監(jiān)測，布點(diǎn)方式以基站為原點(diǎn)，每20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，至120 m止。在監(jiān)測數(shù)值高的區(qū)域以10 m為間隔加設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，尋求基站電磁輻射對(duì)周圍環(huán)境影響的最大值。

此外，5G移動(dòng)通信基站電磁輻射與基站覆蓋范圍內(nèi)的用戶（數(shù)量、業(yè)務(wù)量等）直接相關(guān)[6]，故通過增加5G終端數(shù)量進(jìn)行測量比對(duì)，考察不同5G終端數(shù)量對(duì)5G通信基站的輻射水平影響

3? 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

3.1? 現(xiàn)場監(jiān)測不可控因素與原因

基站的實(shí)時(shí)功率與基站的電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)有直接關(guān)系，表1是以1臺(tái)5G終端在數(shù)據(jù)傳輸模式下（APP下載）多天在水平距離75 m點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)，盡管監(jiān)測流量相同[A游戲（1.8 GB）+B游戲（1.9 GB）+C游戲（2.0 GB）]，但不同時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)，基站電磁輻射的6 min平均值（AVG）為0.238～0.800 μW/cm2，最大值（MAX）為14.243～43.406 μW/cm2，基本處于一個(gè)數(shù)量級(jí)，同一天的前后2次測量值基本接近，最大值比6 min平均值大幾十倍，這和基站的瞬時(shí)輻射有關(guān)。由此可見，由于基站實(shí)際接入的5G用戶數(shù)和氣象條件無法控制、基站在監(jiān)測方向上的實(shí)時(shí)發(fā)射功率不可知等不確定因素，在相同的監(jiān)測點(diǎn)位、監(jiān)測流量、監(jiān)測儀器和應(yīng)用場景下，5G通信基站產(chǎn)生的電磁輻射雖具有一定的一致性，但也呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，且波動(dòng)性較大。

3.2? 不同應(yīng)用場景下現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

3.2.1? 游戲娛樂

表2是以1臺(tái)5G終端在游戲娛樂場景（抖音直播）下于基站西北方向不同距離的點(diǎn)位監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)，隨著監(jiān)測點(diǎn)與基站距離由11 m增大到74.2 m，電磁輻射水平呈現(xiàn)增大趨勢，距離96 m處電磁輻射水平忽然減小，而116 m處又忽然增大，這可能和在公園里的基站為了更大的覆蓋區(qū)域，基站的下傾角較小且116 m處的地勢較高有關(guān)。在距離74.2 m和116 m處出現(xiàn)了2個(gè)輻射峰值，故對(duì)其重新進(jìn)行了測量，復(fù)測結(jié)果依舊出現(xiàn)了2個(gè)峰值，分別在水平距離72 m（AVG為0.080、0.076 μW/cm2）和113 m（AVG為0.100、0.092 μW/cm2），130 m處數(shù)據(jù)有向下趨勢，與第一次測試的結(jié)果有很好的一致性，說明測試結(jié)果可信。

被測基站的輻射空間分布特征，導(dǎo)致基站西北處出現(xiàn)2個(gè)峰值，故后續(xù)監(jiān)測不再以基站以西進(jìn)行布點(diǎn)，轉(zhuǎn)而選取基站東北面進(jìn)行布點(diǎn)。

以1臺(tái)5G終端在游戲娛樂場景（抖音直播）下于基站東北方向不同距離的點(diǎn)位監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)見表3，電磁輻射空間上的最大值出現(xiàn)在距基站水平距離為71.0～82.5 m處。對(duì)比表2、表3可見，基站西北方向的輻射水平普遍高于東北方向，這可能和東北方向有較多的樹木遮擋有關(guān)，因?yàn)?G通信基站監(jiān)測所得的功率密度值隨著遮擋物的增多而衰減。

3.2.2? 數(shù)據(jù)傳輸

表4是以1臺(tái)5G終端在數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場景（APP下載）中不同流量下的電磁輻射狀況，監(jiān)測位置為基站東北水平距離75 m處，3種下載流量下對(duì)應(yīng)的頻譜圖如圖1—圖3所示。

結(jié)合電磁輻射監(jiān)測結(jié)果（見表4）和下載圖譜的最大時(shí)域圖（圖1—圖3）可知，當(dāng)有大流量使用時(shí)（下載開始），5G通信基站對(duì)周圍環(huán)境會(huì)產(chǎn)生明顯的電磁輻射。由于測量的是6 min的平均值，當(dāng)下載包單個(gè)下載時(shí)，5G的電磁輻射也隨著下載包的增多（流量的增加）而逐步上升。結(jié)合表5進(jìn)一步分析可知輻射水平與6 min總下載流量呈線性相關(guān)，總下載流量越大電磁輻射水平越高，在全程下載的情況下，輻射水平最大，6 min平均值甚至超過1 μW/cm2。故5G基站監(jiān)測時(shí)5G流量使用的多少是5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素之一。

分析圖3、圖4和表6可知，在應(yīng)用場景為數(shù)據(jù)傳輸（APP下載）進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，當(dāng)流量相同、下載包個(gè)數(shù)也相同時(shí)連續(xù)下載和下載包單個(gè)下載時(shí)產(chǎn)生的功率密度也不一樣，由于連續(xù)下載比單個(gè)下載用時(shí)減少，故5G基站監(jiān)測時(shí)使用流量的時(shí)間也是5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素之一。

分析表7可知，在應(yīng)用場景為數(shù)據(jù)傳輸（APP下載）進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，2臺(tái)5G終端同時(shí)下載的電磁輻射水平明顯高于1臺(tái)5G終端下載的電磁輻射水平，2臺(tái)5G終端下載時(shí)功率密度6 min平均值是1個(gè)5G終端下載時(shí)的功率密度6 min平均值2倍以上。

分析表8可知，在應(yīng)用場景為數(shù)據(jù)傳輸（APP下載）進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，盡管HJ 1151—2020中規(guī)定監(jiān)測儀器與5G終端保持在1～3 m的范圍內(nèi)即可，但在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)實(shí)際測得的功率密度在位置的1～3 m處卻有所區(qū)別，在距離為1 m時(shí)輻射水平明顯大于距離2 m和3 m的輻射水平。而距離2 m和3 m的輻射水平基本一致。造成這一現(xiàn)象的原因有2個(gè)，一是5G終端對(duì)基站天線波束的牽引和聚焦，5G采用賦形子波束指向5G終端，天線波束寬度很窄，終端與監(jiān)測儀器距離越近，則監(jiān)測儀器越接近天線子波束的中心，輻射水平更高。二是5G終端本身產(chǎn)生的電磁場對(duì)監(jiān)測點(diǎn)位產(chǎn)生影響，5G終端離監(jiān)測儀器越近，對(duì)監(jiān)測點(diǎn)位產(chǎn)生的功率密度越大。

通過以上分析可知5G通信基站監(jiān)測時(shí)使用的5G終端個(gè)數(shù)、使用的流量大小和流量使用時(shí)間都是5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素之一。5G通信基站監(jiān)測所得的功率密度值隨著5G終端的增加而變大。5G通信基站監(jiān)測所得的功率密度值隨著流量使用的增多而增大，若在監(jiān)測過程中流量使用時(shí)間不滿6 min，那相同流量下，電磁輻射水平隨流量下載時(shí)長的增加而增大。

3.2.3? 不同應(yīng)用場景下監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比

分析表9和圖5—圖7，可知無論數(shù)據(jù)上還是圖譜上在游戲娛樂、視頻交互和虛擬購物這幾個(gè)的應(yīng)用場景中，5G基站所產(chǎn)生的電磁輻射都相近。而這幾個(gè)應(yīng)用場景都可歸類于視頻交互模式，并且其6 min產(chǎn)生的電磁輻射相對(duì)穩(wěn)定，較少出現(xiàn)忽高忽低值。且這類應(yīng)用場景中測量5G基站電磁輻射也更符合現(xiàn)實(shí)個(gè)人使用5G手機(jī)的常態(tài)。

3.2.4? 干擾值

本次監(jiān)測產(chǎn)生的干擾值是在以2臺(tái)5G終端同時(shí)下載下列APP的應(yīng)用場景下進(jìn)行監(jiān)測，且兩手機(jī)在距離監(jiān)測儀器1.2 m處測量所得的數(shù)據(jù)。

分析圖8、圖9和表10，當(dāng)以2臺(tái)或以上的5G終端進(jìn)行基站測量時(shí)，5G通信基站周圍環(huán)境中所測得的功率密度有時(shí)會(huì)變得極高，最高值甚至?xí)_(dá)到200 μW/cm2左右。當(dāng)出現(xiàn)這些較高的干擾值時(shí)，再以圖8圖譜上的最大時(shí)域圖與圖9圖譜上的最大時(shí)域圖相比，同一流量下測得下載包下載的總時(shí)長增加，而此時(shí)觀察5G終端（手機(jī)）時(shí)，可以明顯看出下載的總時(shí)長增加，下載速度減慢，并且2臺(tái)5G終端（手機(jī)）的下載時(shí)長和下載速度差距明顯，其中1臺(tái)5G終端（手機(jī)）下載結(jié)束后，另外1臺(tái)5G終端（手機(jī)）才開始正常下載，故當(dāng)有2臺(tái)或者以上的5G終端（手機(jī)）進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，他們處于某種條件下，發(fā)生某種相互干擾，那么此時(shí)因?yàn)檫@一行為，可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的電信號(hào)，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)因?yàn)?G終端（手機(jī)）出現(xiàn)較大誤差。

4? 結(jié)論與展望

5G終端為手機(jī)時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸、虛擬購物、視頻交互和游戲娛樂等應(yīng)用場景中，監(jiān)測到的電磁輻射均低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》中規(guī)定的該頻段公眾暴露限制0.4 W/m2。

監(jiān)測過程中，5G終端離監(jiān)測儀器的遠(yuǎn)近和終端數(shù)量都會(huì)對(duì)監(jiān)測產(chǎn)生一定影響，今后宜采用6 min持續(xù)視頻交互、單個(gè)5G終端的條件進(jìn)行監(jiān)測，并標(biāo)注好5G終端離監(jiān)測儀器距離，以便使監(jiān)測更具有可復(fù)現(xiàn)性和可操作性。

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