5G通信基站周围电磁辐射水平影响因素研究

顾剑宇 陈啸

摘  要：随着5G通信基站的大规模建设，5G通信基站的电磁辐射安全成为居民日渐担忧的问题，所以了解各因素对周围电磁辐射水平的影响是环境现场监测的关键之一，该文通过现场监测所得数据进行分析和研究，以期分析结果能为相关监测工作者提供一些帮助和参考。

关键词：5G移动基站；电磁辐射；MIMO天线；基站监测；数据分析

中图分类号：X705      文献标志码：A         文章编号：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

政策和技术迭代，智能网联升级等共同驱动，带动了无线基础设施建设的飞速发展。全国范围内运营商启动了2G/3G频谱重耕，原先分配给运营商2G/3G的频谱目前被大大压缩，优质频谱资源被用于4G和NB-IoT。5G相对4G而言优势明显，拥有更低的延时和更高的带宽。万物互联场景下，5G商用将带动更广阔的下游应用场景发展，如自动驾驶、AR＼VR等。2019年6月6日，工业和信息化部正式向中国移动、中国电信、中国联通、中国广电发放5G商用牌照。2019年10月31日，中国5G网络正式进入商用时代，5G移动通信基站建设规模进入提速阶段，其数量和覆盖范围均迅速增大[1]。截至2023年2月末，我国5G基站总数达238.4万个，占移动基站总数的21.9%，5G网络建设稳步推进[2]。

与此同时，5G通信基站的大规模建设引发社会公众对基站周围电磁环境的持续性关注。本文通过现场监测5G通信基站周边电磁辐射环境，采集分析了5G及其他网络制式移动通信基站的电磁辐射场强数据，研究了各因素对周围电磁辐射水平的影响，可为今后通信基础设施建设提供参考。

1  5G通信基站环境影响特性与电磁辐射安全

1.1  5G移动通信基站环境影响特性

5G使用了Massive MIMO和3D波束赋形等关键技术，由4G固定端口功率与定向天线的电磁辐射模式向用户随动的窄波束模式转变，使得5G天线的实际发射功率和天线波束方向随基站覆盖范围内小区用户的业务需求空间分布变化。与传统的扇区天线（约120波束宽度，约17 dBi增益）相比，波束赋形的mMIMO天线可以产生高增益的窄波束（5～30波束宽度，高达24～25 dBi或更高增益），波束具有很强的指向性，使基站发射的射频信号功率在特定方向上更加集中，以便更好地将射频能量对准即时接入用户，提高了信噪比，最大限度地减少来自相邻用户的干扰，提高整体信道宽带传输性能[3]。

5G移动通信基站电磁辐射环境影响特性表现为：当5G通信基站覆盖范围内用户没有业务需求时，基站处于信号“广播”状态，在基站的覆盖范围内不断进行用户搜寻，此时基站的实际发射功率很低；当5G通信基站覆盖范围内用户业务需求量增加时，基站与终端用户建立相应的业务连接，基站执行上、下行通信，基站的实际发射功率大小与小区内用户的业务需求类型（即应用场景，如数据传输、视频交互、游戏娱乐、虚拟购物、智慧医疗、工业应用和车辆网等）直接相关，即5G电磁辐射强度与数据下行速率显著相关。此外，多用户mMIMO技术可以通过使用多个波束如2波束、4波束或8波束，同时针对多个空间分离的用户，从而提高业务吞吐量并减小时间延迟[4]。当一个基站同时为多个用户服务时，发射机的功率被分配到不同的方向，此时指向用户的波束辐射强度将下降。

1.2  电磁辐射

5G移动通信基站辐射属于电磁辐射，是能量以电磁波形式由源发射到空间并在空间传播的现象。电磁辐射对机体的危害主要为热效应和非热效应，没有确定性的遗传效应。热效应是指电磁波将能量传递给机体的原子或分子，使其加速运动，引起机体升温，影响机体的工作。一般认为功率密度大于0.1 W/m2时才会出现热效应，而当能量小吸收慢时，人体通过自我调节也可以及时把吸收的热量散发出去，不会导致机体的温度上升。非热效应是指机体受到电磁波干扰后，自身稳定的微弱电磁场被干扰和破坏，温度虽无明显升高，但细胞原生质发生改变致机体受到损害，严重时会影响人体的循环、免疫、生殖和代谢功能[5]。目前关于电磁辐射危害的研究存在较多争议，只能确定其存在生物学效应，具体的危害尚无定论。一般认为符合国家标准GB 8702—2014《电磁环境控制限值》的电磁暴露对环境和身处该环境中的生物体是安全的。

2  研究方法

2.1  基站选址

选取通信基础设施发达、人口密度大的上海市中心城区静安区为代表性研究地点，考虑到大部分5G移动通信基站的选址位于人口稠密区域、基站周围一般都有大量的建（构）筑物、5G用户接入数的不可控及5G实时功率的波动等因素，筛选出某公园内部基站进行监测，使影响因素相对可控。

2.2  监测方案

依据HJ 1151—2020《5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》分别在不同应用场景（数据传输、视频交互、游戏娱乐和虚拟购物）和不同距离下对公园内部基站进行监测，布点方式以基站为原点，每20 m布设一个监测点，至120 m止。在监测数值高的区域以10 m为间隔加设监测点，寻求基站电磁辐射对周围环境影响的最大值。

此外，5G移动通信基站电磁辐射与基站覆盖范围内的用户（数量、业务量等）直接相关[6]，故通过增加5G终端数量进行测量比对，考察不同5G终端数量对5G通信基站的辐射水平影响

3  现场监测与数据分析

3.1  现场监测不可控因素与原因

基站的实时功率与基站的电磁辐射监测数据有直接关系，表1是以1台5G终端在数据传输模式下（APP下载）多天在水平距离75 m点位进行监测所得的数据，尽管监测流量相同[A游戏（1.8 GB）+B游戏（1.9 GB）+C游戏（2.0 GB）]，但不同时间的监测数据有一定波动，基站电磁辐射的6 min平均值（AVG）为0.238～0.800 μW/cm2，最大值（MAX）为14.243～43.406 μW/cm2，基本处于一个数量级，同一天的前后2次测量值基本接近，最大值比6 min平均值大几十倍，这和基站的瞬时辐射有关。由此可见，由于基站实际接入的5G用户数和气象条件无法控制、基站在监测方向上的实时发射功率不可知等不确定因素，在相同的监测点位、监测流量、监测仪器和应用场景下，5G通信基站产生的电磁辐射虽具有一定的一致性，但也呈现出一定的波动性，且波动性较大。

3.2  不同应用场景下现场监测数据及分析

3.2.1  游戏娱乐

表2是以1台5G终端在游戏娱乐场景（抖音直播）下于基站西北方向不同距离的点位监测所得的数据，随着监测点与基站距离由11 m增大到74.2 m，电磁辐射水平呈现增大趋势，距离96 m处电磁辐射水平忽然减小，而116 m处又忽然增大，这可能和在公园里的基站为了更大的覆盖区域，基站的下倾角较小且116 m处的地势较高有关。在距离74.2 m和116 m处出现了2个辐射峰值，故对其重新进行了测量，复测结果依旧出现了2个峰值，分别在水平距离72 m（AVG为0.080、0.076 μW/cm2）和113 m（AVG为0.100、0.092 μW/cm2），130 m处数据有向下趋势，与第一次测试的结果有很好的一致性，说明测试结果可信。

被测基站的辐射空间分布特征，导致基站西北处出现2个峰值，故后续监测不再以基站以西进行布点，转而选取基站东北面进行布点。

以1台5G终端在游戏娱乐场景（抖音直播）下于基站东北方向不同距离的点位监测所得的数据见表3，电磁辐射空间上的最大值出现在距基站水平距离为71.0～82.5 m处。对比表2、表3可见，基站西北方向的辐射水平普遍高于东北方向，这可能和东北方向有较多的树木遮挡有关，因为5G通信基站监测所得的功率密度值随着遮挡物的增多而衰减。

3.2.2  数据传输

表4是以1台5G终端在数据传输应用场景（APP下载）中不同流量下的电磁辐射状况，监测位置为基站东北水平距离75 m处，3种下载流量下对应的频谱图如图1—图3所示。

结合电磁辐射监测结果（见表4）和下载图谱的最大时域图（图1—图3）可知，当有大流量使用时（下载开始），5G通信基站对周围环境会产生明显的电磁辐射。由于测量的是6 min的平均值，当下载包单个下载时，5G的电磁辐射也随着下载包的增多（流量的增加）而逐步上升。结合表5进一步分析可知辐射水平与6 min总下载流量呈线性相关，总下载流量越大电磁辐射水平越高，在全程下载的情况下，辐射水平最大，6 min平均值甚至超过1 μW/cm2。故5G基站监测时5G流量使用的多少是5G通信基站周围电磁辐射水平影响因素之一。

分析图3、图4和表6可知，在应用场景为数据传输（APP下载）进行监测时，当流量相同、下载包个数也相同时连续下载和下载包单个下载时产生的功率密度也不一样，由于连续下载比单个下载用时减少，故5G基站监测时使用流量的时间也是5G通信基站周围电磁辐射水平影响因素之一。

分析表7可知，在应用场景为数据传输（APP下载）进行监测时，2台5G终端同时下载的电磁辐射水平明显高于1台5G终端下载的电磁辐射水平，2台5G终端下载时功率密度6 min平均值是1个5G终端下载时的功率密度6 min平均值2倍以上。

分析表8可知，在应用场景为数据传输（APP下载）进行监测时，尽管HJ 1151—2020中规定监测仪器与5G终端保持在1～3 m的范围内即可，但在数据传输时实际测得的功率密度在位置的1～3 m处却有所区别，在距离为1 m时辐射水平明显大于距离2 m和3 m的辐射水平。而距离2 m和3 m的辐射水平基本一致。造成这一现象的原因有2个，一是5G终端对基站天线波束的牵引和聚焦，5G采用赋形子波束指向5G终端，天线波束宽度很窄，终端与监测仪器距离越近，则监测仪器越接近天线子波束的中心，辐射水平更高。二是5G终端本身产生的电磁场对监测点位产生影响，5G终端离监测仪器越近，对监测点位产生的功率密度越大。

通过以上分析可知5G通信基站监测时使用的5G终端个数、使用的流量大小和流量使用时间都是5G通信基站周围电磁辐射水平影响因素之一。5G通信基站监测所得的功率密度值随着5G终端的增加而变大。5G通信基站监测所得的功率密度值随着流量使用的增多而增大，若在监测过程中流量使用时间不满6 min，那相同流量下，电磁辐射水平随流量下载时长的增加而增大。

3.2.3  不同应用场景下监测数据对比

分析表9和图5—图7，可知无论数据上还是图谱上在游戏娱乐、视频交互和虚拟购物这几个的应用场景中，5G基站所产生的电磁辐射都相近。而这几个应用场景都可归类于视频交互模式，并且其6 min产生的电磁辐射相对稳定，较少出现忽高忽低值。且这类应用场景中测量5G基站电磁辐射也更符合现实个人使用5G手机的常态。

3.2.4  干扰值

本次监测产生的干扰值是在以2台5G终端同时下载下列APP的应用场景下进行监测，且两手机在距离监测仪器1.2 m处测量所得的数据。

分析图8、图9和表10，当以2台或以上的5G终端进行基站测量时，5G通信基站周围环境中所测得的功率密度有时会变得极高，最高值甚至会达到200 μW/cm2左右。当出现这些较高的干扰值时，再以图8图谱上的最大时域图与图9图谱上的最大时域图相比，同一流量下测得下载包下载的总时长增加，而此时观察5G终端（手机）时，可以明显看出下载的总时长增加，下载速度减慢，并且2台5G终端（手机）的下载时长和下载速度差距明显，其中1台5G终端（手机）下载结束后，另外1台5G终端（手机）才开始正常下载，故当有2台或者以上的5G终端（手机）进行监测时，他们处于某种条件下，发生某种相互干扰，那么此时因为这一行为，可能会产生一个较强的电信号，导致监测数据因为5G终端（手机）出现较大误差。

4  结论与展望

5G终端为手机时，在数据传输、虚拟购物、视频交互和游戏娱乐等应用场景中，监测到的电磁辐射均低于国家标准GB 8702—2014《电磁环境控制限值》中规定的该频段公众暴露限制0.4 W/m2。

监测过程中，5G终端离监测仪器的远近和终端数量都会对监测产生一定影响，今后宜采用6 min持续视频交互、单个5G终端的条件进行监测，并标注好5G终端离监测仪器距离，以便使监测更具有可复现性和可操作性。

参考文献：

[1] 黎丽华.5G基站电磁环境监测中遇到的问题及对策[J].中国无线电，2022（12）：38-45.

[2] 张辛欣.我国5G基站总数达238.4万个[N].2023-03-24.

[4] 韦庆，葛晓阳.5G基站电磁辐射环境特征及监测实证研究[J].环境监测管理与技术，2021，33（4）：53-6.

[5] 罗森文，鲁娜，王华刚，等.5G（Sub 6G）移动通信基站电磁辐射初探[J].广东通信技术，2021，41（10）：60-3.

[3] 黄亚萍.电离辐射与电磁辐射的区别研究综述[J].黑龙江科学，2015，6（6）：13-5.

[6] 端木亭亭.5G基站电磁污染的监测与防治[J].江苏通信，2022，38（1）：24-6.

[7] 张保增，杜喜臣，马晓.5G移动通信基站电磁辐射测量评价[J].辐射防护，2022，42（3）：222-8.

[8] 5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）：HJ 1151—2020[S].北京：中国环境出版集团，2021.

[9] 电磁环境控制限值：GB 8702—2014[S].北京：中国环境出版集团，2015.