5G移动通信基站电磁辐射理论模拟及实测验证研究

韦 庆，葛晓阳

(1.江苏省辐射环境保护咨询有限公司，南京 210019； 2.江苏省苏核辐射科技有限责任公司，南京 210019)

引 言

在“新基建”的政策驱动下，5G建设迈向规模化部署与应用创新落地的新进程，基站建设与用户数量即将迎来快速增长时期[1～3]。相对于4G通信技术而言，5G网络的优势主要体现在数据传输更快、信号质量更高、网络应用更广泛，同时也将导致基站电磁辐射强度增大，甚至可能造成周边电磁辐射环境测值超标，引发社会负面舆情[4～6]。

为了克服高频电磁波波长短、衍射能力差、传输衰减快速等技术难点，5G网络运用大规模天线阵列(Massive-MIMO)等智能化设备在业务需求方向上形成电磁波赋形波束，精准提供短时有效的业务窄波以实现良好的信号覆盖效果[7～12]。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。MIMO技术是第四代移动通信系统提升频谱效率的关键技术创新，即在发送端和接收端部署多根天线，利用有限的时频资源内对空间域进行扩展，通过空时频处理技术实现分集增益或复用增益[13～17]，2017年8月国际电工委员会发布了《以评估人体曝露为目的的无线通信基站周边射频场强、功率密度测量方法》(IEC 62232-2017)，给出了时分条件下MIMO阵列天线发射波形的数值模拟算法，可用以评估无线电通信基站附近射频场强和比吸收率。区别于传统移动通信基站的环境监测，2021年5月我国颁布施行了《5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法(试行)》(HJ 1151-2020)对5G基站环境监测的监测场景、监测时间、布点要求及终端设置等进行相关规定，但考虑到移动通信的发展应用和监测实践的复杂性，未给出典型监测案例示范，影响了监测方法的操作性和普适性[18-19]。国际电工委员会标准(IEC 62232-2017)针对移动通信基站的电磁辐射影响建立了理论预测模型，但5G移动通信基站是否适用相关模型仍有待研究，本文参照IEC标准的理论模型，模拟计算出智能天线电磁辐射强度水平，通过设置现实环境的典型应用场景模拟形成测试方向上稳定的大通量强电磁窄波，测量该窄波连续6分钟的方均根检波平均值，将理论计算值与实测数据相关分析，结果表明两者具有良好的相符性，理论模型与环境实测互为验证，可以分别用于指导5G基站电磁辐射环境的理论模拟和环境监测。

1 理论模拟

参照国际电工委员会标准(IEC 62232-2017)开展智能天线电磁辐射理论模拟，计算模型参考IEC标准的以下章节：①时分条件下通信网络测量，②利用MIMO阵列天线发射波形的数值模拟，③智能天线。

根据智能天线工作原理，将发射波束划分为3个区域，分别为最大辐射区、相邻辐射区及其他辐射区，如图1所示。

图1 智能天线波束划分示意图Fig.1 Schematic diagram of beam division of intelligent antenna

由于采用时分双工技术，故模拟计算时引入下行时间比参数，预测公式为：

SSta5G=Tdownlink·[RT·SBeamforming·(δmax·Nmax+δadj·Nadj+δoth·Noth)+RB·SuB5G]其中：Tdownlink为下行时间比，一般取0.7；RT和RB分别为通信信道和控制信道的时间比，一般RT为11/14～13/14，RB为1/14～3/14，总和为1。

被测试基站的技术参数包括：扇区角度(SMRT)120°、窄波角度(NB)15°、发射功率(P)200W、增益/增益倍数(Gu)25dBi/316.23、控制信道时间占比(RB)0.214、通信信道时间占比(RT)0.786、下行链路时间占比(Td)0.7、约束条件95%。将被测试基站的这些参数代入计算模型，理论模拟计算结果见图2。

图2 5G基站电磁辐射强度理论模拟计算结果Fig.2 Theoretical simulation calculation results of electromagnetic radiation intensity at 5G base stations

2 监测方法与方案

2.1 监测方法

波束赋形是5G基站区别于其他网络制式基站最重要的特征之一，5G基站将会根据周边的实际通信需求，发出具有指向性的波束，因此基站周边的5G终端工作状况对电磁辐射测值会有较大的影响。目前施行的《5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法(试行)》(HJ 1151-2020)也对终端应用场景做出了具体要求。

监测方法将终端应用场景分为数据传输、视频交互、游戏娱乐、虚拟购物、智慧医疗、工业应用、车联网等，根据5G应用发展现状，目前可以应用的场景主要为数据传输、视频交互及游戏娱乐3种。本次研究选取常规5G基站通过设置典型测试条件开展5G基站的电磁辐射测量。

2.2 典型基站选取

为了解典型技术参数条件下的5G基站在极端场景中电磁辐射影响的分布规律，选择楼顶抱杆天线或楼顶美化天线基站，且基站所在楼顶平台较大，监测人员在楼顶平台行动方便；如为落地塔基站，天线挂高应尽可能小，且地面有较大监测范围。

为反映窄波强度随距离衰减程度，选取楼顶美化天线(基站A)和落地景观塔(基站B)两种天线架设方式基站，典型5G基站主要技术参数为：下行频段3400～3500MHz，设备型号为DBS5900-5G，天线型号AAU5613，基站发射功率200W，天线阵子192组，通道数为64×64，天线波瓣宽度水平13°、垂直6.5°，天线增益25dBi。监测时将基站待测天线方向调整至面向终端及监测点位方向，同时临时关闭半径300m范围内除待测天线外的其他扇区天线以及其他5G基站。

2.3 监测仪器及天气条件

选择Narda SRM-3006选频场强仪(频率范围420MHz～6GHz)进行测量，监测仪器均在校准有效期内。监测在无雨雪的天气条件下开展，环境条件满足5G移动通信基站监测技术方法和监测仪器使用技术要求。

2.4 监测场景与点位布设

经向运营商及华为等设备厂商咨询，将6台移动终端进行持续大流量下行传输作业定义为极端情况的数据传输应用场景。使用的移动终端为华为mate20手机搭配5G SIM测试卡，监测时6台终端保持数据下载状态，并集中放置在监测点位后方1.5m处。

为了解5G基站电磁辐射影响随距离衰减程度，在模拟形成的窄波方向每隔10m布设1个监测点位，6台终端随监测点位移动，均集中放置在监测点位后方1.5m处。

2.5 监测时间及读数

测量时测量频段覆盖全部5G基站工作频段，读取连续6分钟方均根检波示值。

为了解电磁辐射测值与基站后台数据的对应关系，监测前与运营商共同制定记录方案，根据后台数据读取间隔15min的要求，每间隔15min同步记录监测测值与后台数据。

3 结果与讨论

3.1 典型场景下测值与后台数据分析

与非5G基站扇形小区信号覆盖不同，5G基站在无业务状态下，以广播等公共信道扫描小区覆盖范围内的终端位置及业务需求，当存在业务需求(如数据传输、视频交互等)时运用波束赋形技术，在最优化算法路径实现明显的阵列增益，进而形成有效业务窄波，以达到高速精准数据传输的目标。研究表明，5G基站天线辐射方向与强度和信号需求及电磁环境噪声存在理论对应关系，天线辐射方向随业务需求(即终端所处方向)的移动而改变。

电磁辐射强度的测量可理解为对所形成的窄波进行测量，窄波的形成受网络应用场景(即信号需求内容，如数据传输、语音通话等)、电磁环境噪声条件、路径损耗等因素影响，表1为5G基站电磁辐射监测结果及后台数据汇总表。

表1 5G基站电磁辐射监测结果及后台数据汇总Tab.1 Summary of monitored electromagnetic radiation and backend data at 5G base station

可以看出，对于常规5G基站，在6台移动终端同时处于大流量数据传输作业的应用场景，距天线40～50m处的5G频段测值可满足《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)中公众曝露控制限值0.4 W/m2的要求。监测过程中，对被测基站的后台数据进行了同步跟踪记录，对应天线的NR下行PRB平均利用率范围达到了65.88%～98.58%，小区下行有效吞吐率为885.29～1147.30Mbps，可认为本次监测能够反映测量时间内稳定的强窄波的电磁辐射强度。

3.2 分析验证

根据生态环境部门的管理要求，将公众曝露控制限值的1/5作为某一工作频段的贡献管理限值，对比5G基站电磁辐射实测值与理论模拟计算结果，5G工作频段的贡献管理限值的达标距离保守约为110m，本文重点对110m距离范围内的实测值与理论计算结果进行数据分析，结果见图3。

采用皮尔逊相关性方法分析同一基站的不同距离条件下实测值与理论值的数据相关性水平，表2所示，结果表明，电磁辐射实测值与理论模拟结果的拟合程度较好，皮尔逊(pearson)相关值>0.95，拟合水平(双侧)上显著相关，实测值可以反映常规5G基站在测量时段内强电磁窄波的辐射强度，与理论模拟结果具有良好的相符性。

图3 基站电磁辐射实测值与理论计算结果相关分析Fig.3 Correlation between measured electromagnetic radiation and theoretical calculation results at base station

表2 理论计算及实测数据Pearson相关性分析Tab.2 Pearson correlation between theoretical calculations and measured data

4 结 语

本文在现实环境中通过设置典型应用场景形成测量方向上的稳定强电磁窄波，将环境实测值与基站射频辐射强度理论计算值做相关分析，得出5G基站电磁辐射环境监测方法(HJ1151)及国际电工委员会标准(IEC62232)具备监测实践与理论模拟的相符性，可以用作相互验证和趋势预测，国际电工委员会标准(IEC 62232-2017)的智能天线电磁辐射理论模型可模拟5G移动通信基站电磁辐射影响。随着工业、医疗及交通等行业互联网的发展建设，5G基站将可能在某特殊区域或特定方向上形成短时强电磁窄波，建议下一步针对5G基站应用场景和终端使用工况开展针对性理论模拟和实测分析，促进万物互联时代的电磁环境健康发展。