校园5G移动通信基站电磁辐射监测实验平台开发与应用

杜艳军 赵剑锟 李小燕 刘义保

东华理工大学核科学与工程学院 江西南昌 330013

信息时代给人们的生产生活带来了巨大的变革,随着无线电技术的快速发展,移动通信基站作为现代社会中不可或缺的设施之一,已在各个城市广泛布设。作为新一代移动通信技术,5G具有高速率、低时延和大连接的特点。2019年以来,国家大力推进5G基站建设,这极大地推动了远程医疗、工业控制、远程驾驶、智慧城市、智慧家居等应用的普及[1]。

众所周知,移动通信采用电磁波的形式传输信息,它在给人们带来极大便捷的同时,也增加了城市中的电磁辐射水平。一方面,超出本底值的电磁辐射不仅会影响电子设备的正常使用,还可能对人体健康和周边环境带来潜在危害。人们长期生活在移动通信基站所产生的电磁辐射环境中,随着环保意识的提高,基站电磁辐射对人体健康的影响受到了越来越多的关注和研究,由基站引发的电磁辐射污染逐渐成为群众重点探讨的话题。

另一方面,电磁辐射已在联合国人类环境保护会议上被列为“造成公害”的主要污染之一,我国新修订的《中华人民共和国环境保护法》也把电磁辐射作为环境污染和危害的重要因素。此外,移动电话对人体的电磁辐射损伤等问题也越来越多地被人们所广泛关注[2]。现阶段,我国移动通信虽然仍以4G网络为主,但随着国家对5G基站的大力建设与逐渐普及,5G移动通信基站电磁辐射水平大小及其对人体健康的影响已愈发引起人们的重视。因此,为保护环境和人民群众的身体健康,保障移动通信事业健康可持续发展,开展5G移动通信基站电磁辐射污染状况的研究有着十分重要的现实意义。

1 概述

移动通信已历经1G～5G的飞速发展,每一次技术进步,都极大地促进了产业升级和经济社会发展。当前,移动通信已融入社会生活的方方面面,深刻改变着人们的沟通、交流等方方面面。

5G作为一种新型移动通信网络,为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等身临其境的极致业务体验,能够满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。5G正在逐步应用到经济社会的各行业各领域,成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键。截至2023年4月,我国5G基站数量达到273.3万个,占移动基站总数的24.5%,5G网络建设稳步推进,实现了所有地级市的覆盖,使得我国5G移动电话用户达到6.34亿户,占移动电话用户的37.1%,这一成绩令世界瞩目。

随着无线通信和智能手机的普及,越来越多的人开始关注电磁辐射对人体健康的潜在影响,考虑到居民有可能长期在基站周围工作与生活,他们可能面临更高的风险。

同时,随着5G移动通信基站的大力建设,其收发天线的电磁波对人体健康和周边环境可能带来的影响,愈发成为人们迫切想要深入了解的问题。因此,需要进一步了解电磁辐射对公众健康产生的影响,并采取合适的措施确保公众安全和保护环境。

2 技术路线

2.1 探头选择

通过计量检定的NBM-550全频段电磁辐射分析仪,配备两个探头:射频电场探头EF0391(测量范围:100000Hz～60GHz)、工频电磁场探头EHP-50D(测量范围:1Hz～100000Hz)。该两个探头均可测量电场E、磁场H、功率密度P。考虑到5G移动通信电磁辐射频段在5GHz上下,隶属于射频电磁场,本文采用EF0391探头进行本实验平台的搭建。

2.2 布点方法

对于电磁辐射监测常用的布点方法有网格布点法、梅花瓣布点法、扇形布点法、人口密度加权和有效辐射功率加权布点法等。按照国家标准《5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法(试行)(HJ 1151-2020)》[3],考虑到5G移动通信基站电磁场的分布特点,本文采用扇形布点法进行实验平台的搭建。

2.3 实验平台搭建

5G移动通信系统主要由移动交换机(MSC)、基站(BS)、移动台(MS)三部分组成[4],其中基站(BS)电磁辐射水平与人类日常工作、生活最近,其电磁辐射最高部分为天线处。按照国家标准的规定,通过制订切实可行的监测方案对5G基站(BS)进行测试、数据验证、实验分析等,达到构建5G移动通信基站电磁辐射监测平台的目的。本文实验平台构建思路如图1所示。

图1 5G基站电磁辐射监测实验平台构建示意图

3 平台测试

3.1 测试区域

本文选择东华理工大学广兰校区某公寓楼顶的5G基站为研究对象,采取扇形布点法,利用全频段电磁辐射分析仪对基站及周围环境中的电磁辐射强度进行监测,并对监测数据进行处理与分析,通过与国家标准相对照,从而研究该5G基站电磁辐射监测实验平台的性能。

3.2 测试依据

(1)《5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法(试行)》(HJ 1151-2020);

(2)《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》(HJ 72-2018);

(3)《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);

(4)《电磁环境控制限制》(GB8702-2014)。

3.3 测试方法

(1)考虑到空气中的灰尘、水汽会对相关数据测试带来不确定因素,为最大限度地减少环境因素可能对测试结果造成的影响,选择天气晴朗,-10～40℃内,风力小于3级,湿度小于80%的条件下进行测试。

(2)选择基站处于正常工作的状态下进行测试,每个监测点进行不少于3次测试,每次监测时间至少15s,读取稳定时的最大值,最后取其平均值作为该点位的电场强度。若出现读数变化幅度较大时,应将监测时间延长至30s或者60s,以减小偶然误差的影响。

(3)测试设备NBM-550探头尖端的高度一般距离地面大约1.7m,离地高度可根据监测目的的不同调整高度。测试过程中,保持测试设备与测试人员适当的距离,邻近效应小于3%,同时,尽量选择空旷区域进行监测,从而最大限度减小其他电磁辐射源或树木等对测试结果的影响。

4 平台应用

本文利用所搭建的电磁辐射监测平台对东华理工大学广兰校区某公寓楼顶的5G基站进行实地测试,部分测试结果列于表1和图2中。

表1 距离基站5m范围内的测试结果

图2 距离基站5m范围内的电场强度

由表1和图2可以看出,在距离通信基站水平距离5m范围内,电磁辐射水平较高,电场强度范围在4.63～31.92V/m,平均电场强度为10.04V/m。同时,从图2可知,基站的电磁强度明显随着距离增加,电场强度逐渐降低,这符合电磁场分布的基本规律,进一步证实了本监测平台的有效性。

5 移动通信基站电磁辐射防护探讨

(1)合理布局:基站的位置和布局对辐射控制至关重要。应选择远离居民区、学校、医院等人群密集区域的位置建设基站,以减少潜在的辐射暴露。

(2)辐射功率控制:在确保通信覆盖需求得到满足的基础上,优化基站的辐射功率,有助于降低环境中电磁辐射水平。

(3)技术改进:采用先进的天线技术和辐射控制设备,如定向天线和自适应功率控制系统等,以最大限度地减少辐射强度和辐射范围。

(4)屏蔽措施:在基站周围采取屏蔽措施,如隔离墙、金属网、建筑物外墙等,以减少电磁波向空间的传播。

(5)距离保持:尽量保持安全距离,避免无关人员长时间在基站附近逗留。另外,在醒目位置,设置合理的警示标志和警示说明。

(6)定期监测:对基站的电磁辐射水平进行定期监测和评估,确保其符合国家安全标准,这有利于及时发现问题并采取必要的改进措施。

(7)公众参与:认真听取公众的正当需求和意见,满足公众知情权、参与权乃至决策权,考虑公众利益是否因项目的建设而受到损害或损失,如果有的话应采取必要的措施予以补救,或者对合理需求给以适当补偿。

结语

综上所述,5G移动通信电磁辐射已广泛存在于人们的生产生活中,越来越多的人开始关注其对健康的影响。本实验监测平台的搭建,有利于学生系统掌握移动通信基站电磁辐射监测工作实践环节,熟悉5G移动通信系统的运行和监测原理,提高学生专业技能,锻炼基站监测与评价能力。平台测试展示了校园5G移动通信基站的辐射水平,电磁辐射的现场科普宣传,有利于消除师生恐惧心理,提高公众认知。