5G移动通信基站电磁辐射测量评价

2022-07-05张保增杜喜臣

辐射防护 2022年3期

张保增，杜喜臣，马晓

(核工业北京地质研究院，北京 100029)

随着我国新基建行动计划的发布，5G作为新基建之首，处于重要战略机遇期。北京市5G新基建的建设已实现五环内和北京城市副中心室外连续覆盖，五环外重点区域、典型应用场景精准覆盖[1]。5G基站的高密站距建设导致民众对其产生的电磁辐射的关注度逐渐提高，同时也带来选址的困难和民众的大量投诉。

第五代移动通信技术是具有超大带宽、超广连接和超低延时特点的新一代宽带移动通信技术。5G将成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的新基石[2]。5G基站的技术优势包括大规模MIMO(multiple-input multiple-onput)和3D波束赋形等[3]。5G基站采用大规模MIMO天线技术，通道数量可达64T64R；而传统基站(2G、3G以及4G)通道数最大8T8R；传统基站信号类似从一个平面发射出去，电磁辐射只能在水平方向传播，而大规模MIMO天线技术使的信号可以在水平和垂直方向进行传播，从而实现集中辐射于更小的空间区域内(如图1所示)，从而使基站与终端(手机等)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[4]，同时动态的波束赋形也造成基站产生的电磁辐射在基站周围环境中的非均匀分布情况更复杂，变化更频繁[5]。这些特点也决定了5G基站电磁辐射监测与传统基站有很大的不同。

图1 传统基站和5G基站电磁辐射示意图Fig.1 Diagram of traditional base station and 5Gbase station electromagnetic radiation

以北京5G基站为例，本文通过对5G监测仪器参数和应用场景的选择，以及不同类型基站距离衰减规律的研究，提高自身监测能力的同时，旨在为监测机构日常监测提供参考。

1 测量设备和方法

我国目前部署的5G主要是Sub-6GHz频段(410～7 125 MHz)。《电磁环境控制限值》(GB 8702—2014)[6]中：30 MHz～3 000 MHz电磁辐射限值为固定值；3 000 MHz以上频段，其电磁辐射限值非固定值，而是与频率相关。5G移动通信基站的工作频率既有在3 000 MHz以下，也有在3 000 MHz以上,根据GB 8702中的规定，这两类基站的限值是不同的，具体数据列于表1。

表1 不同运营商5G频段电磁辐射控制限值[6]Tab.1 Control limits of electromagnetic radiation in 5G band for different operators[6]

为准确评估5G基站电磁辐射环境的影响，2021年3月1日生态环境部发布了《5G移动通信基站电磁辐射监测方法(试行)》(HJ 1151—2020)[7]。从电磁辐射监测的角度，表2列举了5G基站和传统基站监测方法的不同之处。

表2 5G基站和传统基站监测标准的区别Tab.2 The difference of monitoring standards between 5G base station and traditional base station

选频式电磁辐射监测仪需根据表1中的频率范围进行设置，根据测量目的的不同，还需设置其他参数，参数的选择在一定程度上会影响监测结果。与传统基站监测最大的不同是5G基站测量需要引入终端设备以及应用场景，这也带来监测结果的不同。

由于5G基站使用大规模MIMO天线技术和3D波束赋形等新技术，PAWLAK等人[8]指出传统测量基站电磁辐射水平的方法不适用于5G基站；虽然目前监测方法已颁布，但5G基站电磁辐射水平的研究尚处于初步发展阶段；根据环境保护最严格的原则，如何测准确地评估5G基站电磁辐射环境的影响程度和范围，一些测试难点仍需包括管理部门在内的各方继续探讨和研究。基于上述原因本文按照5G监测方法对单用户情况下5G基站电磁辐射水平设计了相应的测试方案，并按照测试方案进行了实地测量。

1.1 设备

使用德国Nardo公司生产的SRM-3006选频辐射分析仪，主机：SRM-3006，探头：三轴全向天线，频率范围为420 MHz～6 GHz，测量范围为0.14 mV/m～160 V/m，该测量探头可以覆盖表3中被测基站的工作频率；选频辐射分析仪经中国计量科学研究院校准合格并处于校准期内(2021年2月28日—2022年2月27日)，参加的实验室间能力验证(仪器比对)结果为满意。

1.2 测量方法

本次测量依据《5G移动通信基站电磁辐射监测方法(试行)》(HJ 1151—2020)[7]和《辐射环境保护管理导则：电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T 10.2—1996)[9]。

选择测试的5G基站的基本情况：(1)架设高度和类型不同；(2)主射方向无遮挡，可以在水平距离100 m范围内布设断面；(3)网络制式的要求：涵盖不同工作频率；(4)测试终端：5G手机。

选取3个5G宏基站作为测试基站。5G测试基站基本信息列于表3，其参数(基站下倾角、波瓣宽度、发射机型号等)均保持一致。

表3 5G测试基站基本信息Tab.3 5G test base station

《5G移动通信基站电磁辐射监测方法(试行)》(HJ 1151—2020)中规定：监测仪器的检波方式为方均根检波方式，结果类型为任意连续6分钟内的平均值。监测时，被监测的移动通信基站应为正常工作状态，5G终端设备应与被监测的5G移动通信基站建立连接并至少处于一种典型应用场景；监测仪器探头(天线)置于监测仪器支架上，探头(天线)尖端与操作人员躯干之间距离不少于0.5 m，并与5G终端设备保持在1～3 m范围内[7]。5G电磁辐射监测方法只是规定了测试的基本要求，为了测试结果的准确性和复现性，测试过程需要结合监测设备和5G应用特点，选取不同的设备参数、应用场景和测试环境，模拟多种工作状况等具体测试条件。因此，主要从监测仪器参数设置、应用场景选择以及随距离的衰减规律等方面设计测试方案，所有测试均遵循天线、仪器、终端位于一条线上，如图2所示。

图2 5G基站测量示意图Fig.2 Schematic diagram of 5G basestation measurement

2 测量结果与分析

2.1 监测仪器参数设置及测量结果分析

为了解SRM-3006参数设置对监测结果的影响，在相同测试条件(监测仪器和终端架设于天线主射正位20 m处，终端与探头距离为1 m，场景为下载10 GB文件的数据传输模式，仪器噪声抑制3 dB)下，通过选择仪器的分辨率带宽(RBW)、幅度(量程)等参数进行测试(见表4)，测试不同参数设置对测量结果的影响。

表4 监测仪器不同参数设置Tab.4 Different parameter setting ofmonitoring instrument

本次测试应用场景为的数据传输模式(下载10 G文件)，设置的仪器频率范围为420 MHz～6 GHz，持续时间需要3～5 min，由表5数据可知，改变分辨率带宽时测量结果会有变化，但相差不大。其原因为RBW对频谱曲线的影响体现在以下几个方面：

表5 分辨率带宽不同对测试结果的影响(10 GB数据下载)Tab.5 The impact of different RBW on test results

(1)当频率扫描宽度一定的情况下，RBW设置得越小，意味着曲线底噪越低，但是同时由于采样点更“密集”，参与计算采样点也更多，测量结果更接近真实数据；RBW设置得较大，虽然曲线的底噪抬升，但是由于采样点更“稀疏”，参与计算的采样点也少，因此也降低了因底噪抬升而造成的测量结果偏大。所以RBW对积分结果无明显影响。

(2)当频率扫描宽度一定的情况下，即使在持续下载过程中，数据传输也不是匀速下载的，5G信号随下载速率变化的波动性很大；因此RBW设置越小，单次扫描时间越长，如果单次扫描时间过长，有可能漏过部分非连续信号；同时如果频率扫宽较大(比如全频段扫描)时，RBW设置过小会造成单次扫描时间过长(大于1 s)，则很可能捕捉不到潜在的大信号，从而使得测量结果偏小。

反之,对于一定带宽的调制信号，如果RBW远大于带宽，FFT(快速傅里叶变换)采样时间窗越小，漏检信号的概率也越高。

所以对于5G通信这种调制信号来说，选择合适的范围带宽的RBW在测量过程也尤为重要。

1)垂直距离指的是5G天线架设高度与仪器探头架设高度之间的差值，余表同。

SRM-3006选频辐射分析仪的监测结果为设置频率范围内的所有电磁辐射的总和，设备的幅度不会随监测结果的变化而自动调整，容易出现过载(饱和)测量；因此需要根据测试条件预设幅度的大小。由表6可知，相同测试条件下的测试结果会随着幅度的增大逐渐升高，分析其原因是监测设备会自动调整前置衰减和电平变化，带来读数补偿增大(底噪升高)，导致测量结果增大，甚至增大数倍。因此设置合适监测仪器的参数，得到的测量结果越准确。

表6 幅度不同对测试结果的影响Tab.6 The influence of different amplitude on test results

2.2 监测仪器与终端距离设置及测量结果分析

为测试监测仪器与终端距离不同时电磁辐射水平变化规律，选择天线主射方向水平距离为10 m、50 m、100 m处三个点位，分别测试终端与探头距离取1 m、2 m、3 m的电磁辐射。

5G基站的大规模MIMO和3D波束赋形的技术特点使天线发射的电磁波主瓣方向的波束较窄，方向性好，电磁辐射的主射方向随终端位置的变化而变化。表7中数据显示，当改变设备与终端距离时，电场强度会随着执行业务的终端与监测仪器之间距离的增大而呈现一定的下降趋势。图3表明，当监测仪器与终端距离相同，水平距离相同时，基站高度也会导致测试结果有显著差异。

图3 监测仪器与终端距离不同对测试结果的影响Fig.3 The influence of different distance between the monitoring instrument and the terminal on the test results

表7 监测仪器与终端距离不同对测试结果的影响Tab.7 The influence of the distance between the monitoring instrument and the terminal on the test result

2.3 应用场景选择及测量结果分析

目前常用的应用场景有数据传输、视频交互和游戏娱乐，使用以上3种场景分别进行测试。仪器在主射方向水平距离20 m，终端与探头距离1 m，监测仪器RBW设置为300 kHz，幅度5 V/m，噪声抑制3 dB；游戏娱乐场景选择0.5 s/次刷抖音并记录6 min流量使用情况；数据传输场景流量使用与游戏娱乐相同；数据传输场景下使用不同流量；以此测试不同应用场景和相同应用场景不同数据流量时的电磁辐射水平。

不同应用场景的电磁辐射测试结果(表8)为：刷抖音(游戏娱乐)>数据传输模式>视频交互。分析其原因为快速刷抖音时终端与基站6 min内一直建立着连接，数据传输模式与抖音消耗流量相同但终端与基站6 min内只能在较短时间建立着连接，视频交互模式下虽然终端与基站6 min内一直建立着连接，但流量使用量很小。

表8 应用场景不同对测试结果的影响Tab.8 The impact of different application scenarios on test results

相同应用场景不同流量的电磁辐射测试结果(表9)表明数据流量使用量越多，电磁辐射电场强度就越大；主要原因是终端与基站6 min内建立连接的时间越长，电磁辐射电场强度就越大。采用大流量、全速下载的数据传输模式，存在测量结果超标风险。

表9 不同数据流量对测试结果的影响Tab.9 The impact of different data traffic on test results

2.4 距离衰减规律设置及测量结果分析

Massive MIMO和3D波束赋形技术使得天线发射功率和波束主瓣方向随着用户移动时刻发生变化[10]，这个特点决定了5G基站电磁辐射的研究与传统的基站有本质区别，对于5G基站周围的电磁辐射环境监测时间要求更连续更持久。因此在终端与探头距离1 m；监测仪器RBW设置为300 kHz，幅度5 V/m，噪声抑制3 dB；应用场景为数据传输(下载10 GB文件)；分别在天线与仪器的水平距离为5 m、10 m、15 m、20 m、30 m……100 m处分别进行测量；另外选择偏离主射30°方向的水平距离20 m、50 m、100 m处进行测量，测试5G基站电磁辐射随距离和偏离主射方向时变化规律。

因基站下倾角、架设高度的原因，在一定范围内垂直方向上无法布点，电磁辐射监测结果在水平方向上有一个先上升再下降的趋势，且架设高度越高时监测数据呈现出最大值的距离越远，如图4所示。基站1和基站2的电场强度最大值出现的位置符合“《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法(征求意见稿)》编制说明[11]”中在理想环境下(基站覆盖范围内为平整的空地)当基站天线架设高度在22 m以上的移动通信基站天线发射的电磁波场强最大处在基站50 m以外的理论计算结果。基站3受架设高度限制，电磁辐射最大值出现在20 m左右。