5G移动通信基站电磁辐射监测波束引导必要性研究

邓晓钦，高 鹏

(四川省辐射环境管理监测中心站，成都 611139)

前 言

随着科学技术的日益发展，人们生活水平的逐渐提高，第五代移动通信技术迅速走进我们的生活。5G 是最新一代蜂窝移动通信技术，也是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。为了方便信号覆盖，城市主要街道和居民区基站敷设密度不断增加，由此所带来的电磁辐射问题不断受到人们的广泛关注和社会重视[1]。

5G通信的主要技术之一，是应用了大规模MIMO技术。其主要特点是：(1)天线通道数量多，相比传统基站的天线基本是2天线、4天线或8天线，而大规模MIMO通道数达到64/128/256个，形成天线阵列；(2)传统的MIMO我们称之为2D-MIMO，信号类似一个平面发射出去，只能在水平方向移动，而大规模MIMO，在信号水平维度空间的基础上引入垂直维度的空域进行利用；(3)大规模MIMO系统可实现波束赋形，形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE (User Equipment，用户设备或终端设备)之间的射频传输链路上的能量效率更高，并随用户位置的不同而不同，将能量定向投放到用户位置，相对传统宽波束天线可提升信号覆盖，同时降低小区间用户干扰。

从图1～图3可以看出传统基站天线与5G智能天线基站的波束覆盖差异，实现这一技术关键是5G通信基站使用了智能天线和3D波束赋形技术，天线发射功率和发射方向可以随着用户需求调节，即基站天线的实际发射功率和发射方向都是随着基站覆盖范围内的业务终端的业务需求而改变的。当基站覆盖范围内没有终端业务需求时，基站是处在一个信号“广播”状态，会以一个很低的负载在基站的覆盖范围内不断的进行扫波，此时基站的实际发射功率很低；当基站在覆盖范围内扫描到业务终端的业务需求时，基站天线会迅速与业务终端建立连接，并向有业务需求的每一个终端方向单独发射电磁波信号，天线的实际发射功率与终端业务需求的类型直接相关。

图1 传统基站天线波束覆盖示意图Fig.1 Schematic diagram of antenna coverage of a traditional base station

图2 5G智能天线基站广播扫描覆盖示意图Fig.2 5G smart antenna base station broadcast scan coverage diagram

图3 5G智能天线基站业务波束覆盖示意图Fig.3 5G smart antenna base station service beam coverage diagram

基站主要由室内部分和室外部分组成: 室内部分是指基站机房，里面放置了各种数据处理设备，一般位于单元楼顶层某间房屋内; 室外部分即基站天线，一般架设在楼顶面。机房设备与天线通过有线连接形成一个完整的基站; 基站通过架设在楼顶面的发射天线与用户手机进行无线连接，实现数据传输。数据传输的承载方式，就是通过电磁波，也就是通常所称的 “电磁辐射”[2]。对前几代移动通信基站进行电磁辐射环境监测时，只需要按照监测技术规范，在相应监测点位上，使用仪器直接读数的方式进行监测。而对于5G通信基站，智能天线会根据业务终端所处位置不同、业务需求不同，来进行波束赋形，发射不同能量电磁波信号；5G通信基站在运行期间，其发射功率、天线增益等都随时根据用户情况进行动态调整。针对这些特点，现行的移动通信基站电磁辐射环境监测方法已经无法完全满足5G通信基站电磁辐射环境的监测，并且不能真实反映出5G移动通信基站电磁辐射水平。因此，我们开展了5G智能天线覆盖区域有业务终端接入后，进行波束引导的监测方式，进行电磁辐射实测研究。

1 方法及数据

1.1 监测依据

《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》HJ/T10.2-1996[3]；

《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》HJ972-2018[4]。

目前国内外均没有正式出台过专门针对5G移动通信基站电磁辐射环境的监测方法，故监测依据仅作参考。

1.2 监测条件

选作测试的5G通信基站基本情况：

(1)天线架设高度为11.7m(其中一个扇区天线)；

(2)基站所在楼顶主射方向无遮挡，最远测量点位与天线面板水平距离为35m；

(3)基站设备：中兴64T64R类型5G天线；

(4)工作频段：3 400～3 500MHz，后台功率170W；

(5)波束引导测试终端：中兴5G手机。

1.3 监测场景

1.3.1 第一次测量

在该5G基站发射天线64个天线阵子全部激活发射时，选取与基站间不同水平距离的点位进行，此时无业务终端接入；

1.3.2 第二次测量

在保持第一次测量时基站所处工况的条件下，引入业务终端进行波束引导得情况下开展，选取第一次测量相同点位，并使业务终端在距离监测仪器探头临近的不同位置处，执行下载数据业务(基站下行业务)，记录点位测量数据。

1.4 监测仪器

NBM550主机，EF1891综合场强探头，频率范围为3～18 000MHz，量程为 0.25～250V/m，该测量探头能够有效覆盖被测量基站工作频段；仪器由中国测试技术研究院校准，监测时处于校准有效期内；另外配有激光测距仪、皮尺、激光定位仪等辅助仪器。

1.5 监测数据

监测时，分别在与被测量天线面板水平距离8m、15m、30m这3个位置按照上述监测场景进行监测后得到如下表数据。

表 测量数据Tab. Measured data

2 结果讨论

根据图4可以看出，可以看出，在无引导的情况下，测量值相对较低；当业务终端在同一测量点位临近位置执行下载业务时，测量值则大幅增加。

图4 有终端接入及无终端接入情形下同一点位测量数据对比图Fig.4 Comparison of measured data at the same point with and without terminal access

根据图5～图7可以看出，对于同一测量点位，当业务终端与该测量点位距离不同时，该点位的测量值也不同：

图5 终端位于测量仪器前方1m和与终端重叠时测量数据对比图Fig.5 Comparison chart of measured data when the terminal is located 1m in front of the measuring instrument and overlaps with the terminal

图6 终端位于测量仪器前方1m和后方1m测量数据对比图Fig.6 Comparison chart of measured data with the terminal located 1m in front and 1m behind the measuring instrument

图7 终端位于测量仪器前方2m和后方2m测量数据对比图Fig.7 Comparison chart of measured data with the terminal located 2m in front and 2m behind the measuring instrument

距离天线面板水平距离8m 的测量点位，终端与仪器所处位置相同时，测值为67V/m，终端在仪器前方1m时，测值为40V/m，终端在仪器后方1m时，测值为82V/m；距离天线面板水平距离15m 的测量点位，终端与仪器所处位置相同时，测值为16V/m，终端在仪器前方1m时，测值为19V/m，终端在仪器后方1m时，测值为25V/m；距离天线面板水平距离30m 的测量点位，终端与仪器所处位置相同时，测值为4.5V/m，终端在仪器前方1m时，测值为6.5V/m，终端在仪器后方1m时，测值为6.2V/m。

显然，这一系列由业务终端带来的测量数据变化也证明了5G天线的智能波束赋形功能的高效性。当业务终端位置稍有变化，天线指向业务终端的波束也就发生了变化，波束的变化带来的直观反映就是同一点位监测数值的大幅变化。

3结 论

3.1 使用终端进行波束引导，在5G通信基站的监测中，是非常必要的。

3.2 终端的引入，使5G通信基站的监测复杂化，对环境的影响也比传统基站复杂，有必要加强理论和实践研究。特别是5G通信基站的监测引入终端过后，终端与测量点位的位置关系及距离应该加以规范。

3.3 使用何种终端、终端使用通话业务、上行业务、下行业务、使用多少台终端等条件才能客观地反应出某一5G基站的电磁辐射水平，这需要进一步大量开展5G基站监测工作，总结、修订规范等研究工作。