5G基站與射頻電磁輻射漫談

1 引言

5G第五代移動(dòng)通信技術(shù)是第四代（4G LTE）網(wǎng)絡(luò)的重大演進(jìn)。5G旨在滿足現(xiàn)代社會(huì)在數(shù)據(jù)和連接方面的爆發(fā)式增長(zhǎng)、擁有數(shù)十億連接設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及未來(lái)的創(chuàng)新。

在2019年8月召開的“5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)”上，中國(guó)工程院院士鄔賀銓稱我國(guó)的居民對(duì)基站電磁輻射很關(guān)注，更有人認(rèn)為5G基站更多、頻率更高，擔(dān)心電磁輻射更嚴(yán)重，這導(dǎo)致5G移動(dòng)通信基站部署面臨選址困難的問(wèn)題。5G建網(wǎng)將迎來(lái)井噴，據(jù)估計(jì)，2020年全國(guó)計(jì)劃新建5G基站總數(shù)或超80萬(wàn)個(gè)，恰逢5G大力發(fā)展之際，公眾對(duì)5G基站電磁輻射產(chǎn)生了高度關(guān)注，各類關(guān)于5G基站輻射的說(shuō)法甚囂塵上。

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的部署將見證現(xiàn)有第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和擴(kuò)展，以及毫米波段新無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的引入。由于使用了更高的頻率范圍，基站的數(shù)量將大幅度增加。5G性能的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然要靠新技術(shù)和更多的基礎(chǔ)設(shè)施。這就是頻率更高的毫米波技術(shù)和更密集的5G基站。也就是說(shuō)，5G會(huì)使用更高通信頻率、基站會(huì)更多更密，幾乎隨處可見。新網(wǎng)絡(luò)將包括大量的基站單元和先進(jìn)的天線技術(shù)。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線將允許使用非常窄的波束，這些波束將聚焦用戶，對(duì)基站周圍的電磁輻射水平產(chǎn)生不同于4G系統(tǒng)的影響。

本文希望就5G基站與射頻電磁輻射做一些有益地研討，以饗讀者。

2 國(guó)內(nèi)外射頻電磁場(chǎng)暴露限值

2.1 國(guó)外限值

5G系統(tǒng)將使用國(guó)際無(wú)線電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)組織規(guī)定的頻率，國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）和電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）已經(jīng)制定了國(guó)際兩大主流（基站）電磁輻射技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：ICNIRP 1998導(dǎo)則和IEEE C95.1-2005：美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)5G頻率下的比吸收率（SAR）、電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度以及功率密度確定了暴露限值。

ICNIRP 1998導(dǎo)則和IEEE C95.1-2005標(biāo)準(zhǔn)中的基本限值和暴露水平如表1所示。

表1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ICNIRP 1998導(dǎo)則 和IEEE C95.1-2005限值

2.2 國(guó)內(nèi)限值

我國(guó)電磁輻射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要是參考IEEE和ICNIRP等機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，總體上比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)。在射頻段，《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）是我國(guó)電磁輻射領(lǐng)域最基礎(chǔ)、最重要的標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)限值如表2所示。

表2 《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）

《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）指出，通信頻段功率密度應(yīng)≤ 47μW/cm2，美國(guó)這一標(biāo)準(zhǔn)為1 000μW/cm2，兩者相差了20倍?？紤]到基站信號(hào)會(huì)有相互疊加的水平出現(xiàn)，現(xiàn)在移動(dòng)通信基站建設(shè)時(shí)執(zhí)行的都是國(guó)標(biāo)五分之一的標(biāo)準(zhǔn)，即小于8μW/cm2。舉例：某國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商5G的頻段為3.5 GHz，則滿足國(guó)標(biāo)的電磁輻射限值為：（1）電場(chǎng)強(qiáng)度：≤13 V/m；（2）功率密度：≤ 47μW/cm2。

3 5G基站的射頻電磁場(chǎng)輻射

3.1 5G信號(hào)的生物電磁學(xué)研究

迄今為止，世界衛(wèi)生組織、歐盟新興和新發(fā)現(xiàn)健康風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)委員會(huì)（SCENIHR）和國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）均得出結(jié)論：如果低于ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，公眾與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其使用相關(guān)的接觸不會(huì)對(duì)公眾健康造成不利影響。

射頻電磁場(chǎng)暴露在毫米波頻率下可能對(duì)人體健康產(chǎn)生的影響研究可以追溯到幾十年前，而且還在繼續(xù)。無(wú)害影響的觀點(diǎn)是建立在對(duì)手機(jī)頻率進(jìn)行了大量科學(xué)研究的基礎(chǔ)上的。當(dāng)前，對(duì)頻率高于24 GHz的生物學(xué)研究較少，一些國(guó)家計(jì)劃支持這一領(lǐng)域的生物學(xué)、流行病學(xué)和劑量學(xué)研究。在5G頻率范圍的具體研究方面，WHO的門戶網(wǎng)站列出了大約350項(xiàng)關(guān)于毫米波EMF健康相關(guān)的研究。對(duì)于5G技術(shù)的一些具體實(shí)現(xiàn)和影響，可能還需要進(jìn)一步的研究。

3.2 國(guó)內(nèi)外5G頻段分布

（1）國(guó)外頻段分布

5G系統(tǒng)將使用更密集的網(wǎng)絡(luò)，擁有大量微型基站，本地化程度更接近用戶。在建筑物內(nèi)部，可能有許多室內(nèi)微型基站。在人口較少的地區(qū)，宏基站和微小區(qū)都將繼續(xù)部署，因此網(wǎng)絡(luò)將高度異構(gòu)。5G需要3個(gè)關(guān)鍵頻率范圍內(nèi)的頻譜，以提供廣泛的覆蓋范圍并支持所有計(jì)劃的服務(wù)：低于1 GHz、1～6 GHz和高于6 GHz。

①1 GHz以下將支持城市、郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的廣泛覆蓋，并通過(guò)更好的建筑覆蓋率幫助支持物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

②1～6 GHz提供了覆蓋率和容量?jī)?yōu)勢(shì)的完美結(jié)合。這包括3.3～3.8 GHz范圍內(nèi)的頻譜，有望構(gòu)成許多最初5G服務(wù)的基礎(chǔ)。

③要滿足5G計(jì)劃的超高寬帶速度，需要6 GHz以上的帶寬。重點(diǎn)將放在24 GHz以上的頻段。歐盟正在考慮26千兆赫頻段，美國(guó)已確定28千兆赫頻段為5G頻段。

低頻頻段f<6 GHz：5G的一些潛在頻段與已經(jīng)使用的移動(dòng)技術(shù)的頻率相似。今天的第三代（3G）和4G移動(dòng)技術(shù)通常在700 MHz和2.7 GHz之間的幾個(gè)頻段上運(yùn)行。Wi-Fi在2.45和5 GHz下工作。這些波段將用于覆蓋范圍和容量。

雖然5G網(wǎng)絡(luò)可以部署在700 MHz并提供全國(guó)覆蓋，但由于其技術(shù)特性（廣泛的地域范圍、建筑物和其他障礙物的良好滲透），信道帶寬可能會(huì)將數(shù)據(jù)速率限制在50 Mbit/s至10 Mbit/s，這個(gè)頻段應(yīng)該是新的數(shù)字服務(wù)的理想選擇，這些服務(wù)依賴于非常好的覆蓋范圍（例如，車聯(lián)網(wǎng)），并且已經(jīng)用于4G和4G+。

3.6 GHz左右的頻譜在密集的城市地區(qū)提供了增強(qiáng)的容量，根據(jù)可用的射頻信道寬度，可能提供1 Gbit/s。許多國(guó)家已經(jīng)在這一頻段開展了工作，并在部署5G之前進(jìn)行了新型天線的試驗(yàn)。

高頻段f>24 GHz（毫米波）：更高的頻率，如24～86 GHz，目前主要用于衛(wèi)星和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線電鏈路。毫米波頻率范圍對(duì)于5G移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用特別重要。它們將使系統(tǒng)容量大幅度增加，至少作為補(bǔ)充頻段。目前正在研究將其用于短距離區(qū)域和室內(nèi)應(yīng)用。

在毫米波頻率下，射頻能量被身體表面吸收，大部分被皮膚吸收。毫米波頻率將與增加的小單元部署一起使用，一些研究已經(jīng)開展。所有的實(shí)驗(yàn)和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的部署都使用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)提到的頻率。

（2）國(guó)內(nèi)分布

國(guó)內(nèi)5G頻段大致分為兩段：① 低頻段的Sub 6G（FR1：450 MHz-6 GHz）；② 高頻段的毫米波（FR2：24 250 MHz-52 600 MHz）。

Sub 6G頻段就是6 GHz以下頻段，相對(duì)毫米波頻率更低，是常規(guī)的無(wú)線通信頻段。目前工信部給三大運(yùn)營(yíng)商分配的試商用頻段如下：

中國(guó)移動(dòng)：2 515～675 MHz、4 800～4 900 MHz，兩段共260 M；

中國(guó)電信：3 400～3 500 MHz，共100 M；

中國(guó)聯(lián)通：3 500～3 600 MHz，共100 M。

中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通共建共享以后，雙方的頻譜資源有望整合共享提供服務(wù)。

3.3 5G射頻電磁場(chǎng)暴露評(píng)估

5G技術(shù)的電磁暴露評(píng)估可使用計(jì)算和測(cè)量方法進(jìn)行。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（IEC、ITU、IEEE和CENELEC）已經(jīng)制定并更新了相關(guān)限值的符合性標(biāo)準(zhǔn)。

①[IEC 62232]將頻帶擴(kuò)展到100 GHz。

②[IEC TR 62669]包含支持[IEC 62232]中5G合規(guī)性評(píng)估的案例研究。

3.4 5G部署的預(yù)期射頻電磁場(chǎng)暴露水平

5G新技術(shù)帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)，但也可能引發(fā)公眾對(duì)射頻電磁場(chǎng)暴露的質(zhì)疑。重要的是要解決這些問(wèn)題，并提供可能的電磁輻射暴露水平。5G網(wǎng)絡(luò)是專門為最小化發(fā)射機(jī)功率而設(shè)計(jì)的，采用了全新的天線和核心架構(gòu)，非常高效，傳輸最小化，從而降低了電磁輻射水平?；局髟O(shè)備由BBU和AAU組成。BBU主要負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號(hào)處理，比如FFT / IFFT，調(diào)制/解調(diào)、信道編碼/解碼等。AAU主要由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）、RF（射頻單元）、PA（功放）和天線等部分組成，主要負(fù)責(zé)將基帶數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，再調(diào)制成高頻射頻信號(hào)，然后通過(guò)PA放大至足夠功率后，由天線發(fā)射出去。

5G使得手機(jī)上的天線設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，尤其是在5G高頻的毫米波頻段，此時(shí)連機(jī)身背蓋材質(zhì)的選用，甚至是背蓋的厚度，及背蓋到毫米波天線陣列的距離也要進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以達(dá)到整體的輻射性能最優(yōu)。同時(shí)，5G毫米波對(duì)功率放大器的效率、射頻器件的集成度都提出了更高的要求，無(wú)線信號(hào)的整體水平可能會(huì)有小幅度的局部提高?；谥盁o(wú)線技術(shù)的轉(zhuǎn)變，我們可以預(yù)期，5G部署的預(yù)期射頻電磁場(chǎng)總體暴露水平將與4G網(wǎng)絡(luò)保持大體相當(dāng)，并將遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁輻射限值。

3.5 MIMO天線的射頻電磁場(chǎng)暴露

5G部署將廣泛地使用具有多個(gè)天線單元陣列的“大規(guī)?！倍噍斎攵噍敵觯∕IMO）智能天線來(lái)同時(shí)發(fā)送和接收更多數(shù)據(jù)。對(duì)用戶的好處是，更多的人可以同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)并以更有效的方式保持高吞吐量。智能天線將有可能僅在用戶的方向和使用期間傳輸所需的數(shù)據(jù)。5G技術(shù)與智能天線將更有效降低最小的射頻電磁場(chǎng)暴露。波束賦形將天線波束聚焦在所需方向，有利于減少網(wǎng)絡(luò)干擾和非預(yù)期方向的電磁發(fā)射。

此外，[IEC TR 62669]和[ITU-T K-Sup.16]規(guī)定了基于實(shí)際最大發(fā)射的等效全向輻射功率(EIRP)（直接或從最大發(fā)射功率導(dǎo)出）的射頻暴露評(píng)估方法，同樣適用于具有大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的基站，同時(shí)考慮到國(guó)際暴露限值中定義的時(shí)間平均。

5G基站的波束成形技術(shù)，采用三個(gè)扇面，每個(gè)扇面覆蓋120°，采用MIMO波束成形技術(shù)，波束發(fā)射方向可調(diào)，方向取決于業(yè)務(wù)方向?？梢愿鶕?jù)需求設(shè)置為多個(gè)波束，如2波束、4波束甚至8波束。波束在垂直方向上的可調(diào)，與水平面夾角可調(diào)節(jié)范圍可能是5°～ 30°，在基站下方，過(guò)了波束可調(diào)范圍電磁輻射測(cè)量值會(huì)變小。

3.6 輻射安全距離

輻射安全距離又稱為符合性邊界，是天線周圍的區(qū)域，在該區(qū)域之外，EMF水平處于或低于限值，并且公眾無(wú)法進(jìn)入。這些區(qū)域通常位于城市或郊區(qū)屋頂天線周圍。它們的形狀和尺寸可使用適當(dāng)?shù)墓ぞ哌M(jìn)行協(xié)調(diào)和計(jì)算，同時(shí)考慮到天線頻率和輻射最大功率。

需要注意，并非所有天線都具有物理“符合性邊界”。例如，通信桿塔上的那些，特別是在農(nóng)村地區(qū)，不需要任何物理邊界，因?yàn)橐话愎姛o(wú)法進(jìn)入該區(qū)域。此外，一些其他發(fā)射機(jī)沒(méi)有任何符合性邊界，因?yàn)榘l(fā)射功率很低，是豁免的。

4 應(yīng)用場(chǎng)景舉例

4.1 5G小站

5G時(shí)代，隨著業(yè)務(wù)多樣化的出現(xiàn)，用戶對(duì)流量需求的提高，小站密集組網(wǎng)將成為解決這些問(wèn)題的重要手段。5G網(wǎng)絡(luò)將依賴一個(gè)由宏站和小站組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以確保容量。5G擁有更大帶寬、更多通道數(shù)、更分散的頻率，從而對(duì)5G小站實(shí)現(xiàn)難度大幅升級(jí)，另外隨著物業(yè)談判的難度增加，電源和光纖的引入難度越來(lái)越高，5G小站密集組網(wǎng)對(duì)小站隱蔽性提出了更高的需求。

小站天線是低功率接入點(diǎn)（例如，根據(jù)3GPP定義，每個(gè)天線端口的發(fā)射機(jī)輸入功率小于6 W的基站）。在接下來(lái)的幾年里，這些小站天線的安裝將在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中成倍增加，在密集的城市地區(qū)迅速向每個(gè)宏站搭配10個(gè)小站的方向發(fā)展。

小站非常適合覆蓋范圍和容量問(wèn)題。它們與用戶的接近性使它們能夠提供更好的質(zhì)量，并減少手機(jī)的輻射功率。對(duì)于移動(dòng)用戶來(lái)說(shuō)，通過(guò)減少手機(jī)和基站天線之間的距離，小站可以減少手機(jī)發(fā)出的功率和總的電磁輻射。

室外的小站經(jīng)常帶有偽裝，幾乎可以安裝在任何類型的建筑內(nèi)。與宏站相比，它們的電磁輻射較低，這使得它們的電磁輻射安全距離非常小，不需要任何安全規(guī)定。

微小區(qū)的推出是5G成功的關(guān)鍵，在3.6 GHz頻段5G會(huì)有很多微小區(qū)，在f>24 GHz的更高頻段會(huì)有更多小區(qū)帶來(lái)數(shù)據(jù)容量。

[IEC 62232]和[ITU-T K.100]規(guī)定了基站符合電磁輻射限值的安裝等級(jí)，適用于根據(jù)國(guó)際指南（ICNIRP）在有暴露限值的國(guó)家部署的小站。每個(gè)安裝等級(jí)包括簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)，如所有設(shè)備的EIRP或現(xiàn)場(chǎng)的安裝高度。

低功率的5G小站設(shè)備（安裝等級(jí)E0）可以安裝在任何地方（如住宅小區(qū)），非常像WLAN設(shè)備。對(duì)于高功率5G小站設(shè)備，則必須考慮制造商規(guī)范、最低高度要求和安全距離。這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)通常在產(chǎn)品技術(shù)文件中提供。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)涉及通過(guò)多個(gè)固定和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)的多臺(tái)機(jī)器、設(shè)備和設(shè)備的協(xié)調(diào)。其中包括日常物品，例如傳感器、可穿戴設(shè)備、車輛、建筑物、執(zhí)行器和監(jiān)視器，嵌入物聯(lián)網(wǎng)連接，允許它們發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。一些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，需要廣泛的地理或良好的建筑覆蓋率，將主要實(shí)施在較低的頻段。

因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備是非常低的功率和間歇性傳輸，其射頻電磁場(chǎng)暴露水平不應(yīng)該有明顯的變化。低功耗等能源問(wèn)題是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心問(wèn)題，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備引起的電磁輻射暴露通常比其他設(shè)備和系統(tǒng)要低得多。此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將以基于事件、周期性和自動(dòng)通信模式進(jìn)行通信。因此，通常要交換的數(shù)據(jù)量是非常小且周期性的?？纱┐髟O(shè)備將位于離人體非常近的位置，但由于它們功率低，傳輸持續(xù)時(shí)間短，射頻電磁場(chǎng)暴露將非常低。依據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014），等效輻射功率低于100 W的物聯(lián)網(wǎng)（可穿戴）設(shè)備，免于電磁環(huán)境管理和電磁輻射測(cè)試，意味著它們肯定符合射頻電磁場(chǎng)暴露限值，其他可穿戴設(shè)備將采用國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

5 小結(jié)

5G基站相關(guān)的射頻電磁輻射關(guān)鍵信息小結(jié)如下：

①現(xiàn)有的《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）不針對(duì)特定技術(shù)，適用于5G基站電磁輻射限值；

②5G宏基站周邊的電磁輻射水平遠(yuǎn)低于ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，不會(huì)對(duì)公眾健康造成不利影響；

③5G小站電磁輻射水平及電磁輻射特性不會(huì)與現(xiàn)有Wi-Fi有顯著差異；

④依據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014），等效輻射功率低于100 W的5G小站和物聯(lián)網(wǎng)（可穿戴）設(shè)備，免于電磁環(huán)境管理。

社會(huì)公眾對(duì)5G新技術(shù)可能帶來(lái)的電磁輻射影響的關(guān)注程度無(wú)法預(yù)料，此前3G和4G移動(dòng)通信的部署已經(jīng)引起了一些國(guó)家和民眾的焦慮；近年來(lái)，消費(fèi)者對(duì)移動(dòng)通信天線的存在越來(lái)越習(xí)以為常，移動(dòng)通信設(shè)備的使用也無(wú)處不在。本文對(duì)5G基站及其電磁輻射水平作了一些粗淺的介紹和探討，希望推動(dòng)新的5G技術(shù)和人類接觸射頻電磁波的相關(guān)電磁輻射研究和科普宣傳。