5G（Sub 6G）移動通信基站電磁輻射初探

［羅森文 魯娜 王華剛 陳少川］

1 引言

第五代（5G）移動通信具有大帶寬、低時延、海量連接等特點，是新一代信息技術(shù)的發(fā)展方向和數(shù)字經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)，得到了各國高度重視和大力發(fā)展。到2021 年底，我國三大運營商將累計建成超過130 萬個5G（Sub 6G）基站（含電信聯(lián)通共建共享5G 基站），5G 終端連接數(shù)將突破3 億，繼續(xù)推進5G 更好賦能千行百業(yè)。

由于5G（Sub 6G）使用了比4G 更大的帶寬和更高的載頻，通常射頻頻率越高衰減越大，使得單個5G 宏站在城市中心區(qū)域的覆蓋半徑約在300～500 m、郊區(qū)大概500～1 000 m、農(nóng)村1 000～2 000 m，而單個4G 宏站覆蓋半徑可以到1 000～3 500 m。為了確保同樣覆蓋質(zhì)量，在城市中心區(qū)域的5G 基站數(shù)則要比4G 多3～5 倍。面對5G基站數(shù)量的激增，5G的電磁輻射也成為了當前全社會非常關(guān)注的熱點話題之一。特別是針對社會上有關(guān)5G 輻射超標和影響健康的各種傳言，公眾迫切需要認識與了解5G 電磁輻射真相。

本文從5G（Sub 6G）輻射技術(shù)特點、國際國內(nèi)5G輻射限值標準要求、商用5G 外場輻射監(jiān)測結(jié)果等方面，就5G 電磁輻射安全限值的符合性進行探究。

2 5G mMIMO 基站輻射技術(shù)特點

2.1 5G 波束發(fā)射的指向性

5G 之所以比4G 具有優(yōu)勢，很重要一個因素是5G 演進中使用了Massive MIMO（mMIMO：超大規(guī)模輸入輸出天線陣列）和3D 波束賦形（Beam-Forming）等關(guān)鍵技術(shù)，5G 由4G 固定端口功率與定向天線的電磁輻射模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩綦S動的窄波束模式，即5G 天線的實際發(fā)射功率和天線波束方向都是隨著基站覆蓋范圍內(nèi)小區(qū)用戶的業(yè)務(wù)需求空間分布而變化的。與傳統(tǒng)的扇區(qū)天線（約波束寬度，約17 dBi 增益）相比，波束賦型的mMIMO 天線可以產(chǎn)生高增益的窄波束（波束寬度，高達24～25 dBi或更高增益），波束具有很強的指向性，使基站發(fā)射的射頻信號功率在特定方向上更加集中,以便更好地將射頻能量對準用戶，提高了信噪比，最大限度地減少來自相鄰用戶的干擾，提高整體信道流量傳輸性能。

2.2 5G 業(yè)務(wù)需求與波束輻射強度關(guān)系

當5G 基站覆蓋范圍內(nèi)用戶沒有業(yè)務(wù)需求時，基站是處在一個信號“廣播”狀態(tài)，在基站的覆蓋范圍內(nèi)不斷進行用戶搜尋，此時基站的實際發(fā)射功率很低。當5G 基站在覆蓋范圍內(nèi)用戶業(yè)務(wù)需求量增加時，基站與終端用戶建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)連接，基站執(zhí)行上、下行通信，基站的實際輸出功率大小與小區(qū)內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)需求類型（即應(yīng)用場景，如：數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、游戲娛樂、虛擬購物、智慧醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用、車輛網(wǎng)等）直接相關(guān)，即5G 電磁輻射強度與數(shù)據(jù)下行速率顯著相關(guān)。此外，多用戶mMIMO 技術(shù)可以通過使用多個波束如2 波束、4 波束或8 波束，同時針對多個空間分離的用戶，從而提高業(yè)務(wù)吞吐量并減小時間延遲。當一個基站同時為多個用戶服務(wù)時，發(fā)射機的功率被分配到不同的方向，此時指向用戶的波束輻射強度將下降。

總之，5G Massive MIMO 基站的發(fā)射信號在頻域、時域、空域都具有非確定性。頻域和時域方面，只有5G用戶有業(yè)務(wù)需求時被調(diào)度到的PRB（（Physical Resource Block））才有實際射頻發(fā)射信號，且射頻輻射強度與用戶數(shù)據(jù)下行速率較強相關(guān)?？沼蚍矫?，Massive MIMO 波束賦形的發(fā)射信號具有用戶隨動的空域定向性（指向性）。

3 國際/國內(nèi)5G 輻射限值標準要求

3.1 國際標準要求

國際上有兩大主流的射頻電磁場輻射限值標準：ICNIRP 標準和IEEE 標準，這兩個標準規(guī)定了5G 通信頻段的要求公眾暴露環(huán)境下的輻射照射限值（功率密度）均為≤1 000 μW/cm2，具體如下。

3.1.1 ICNIRP 2020 導則

ICNIRP 2020 導則是國際非電離輻射防護委員會標準，也是WHO（世界衛(wèi)生組織）推薦的標準。主要使用國家：歐洲主要國家、澳大利亞、新加坡、巴西、以色列以及我國的香港特區(qū)等，而意大利、盧森堡、瑞士、比利時、俄羅斯等則使用了比ICNIRP2020 標準更嚴格的要求。

ICNIRP2020-《ICNIRP Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields（100 kHz to 300 GHz）》:《限制100 kHz～300 GHz 電磁場曝露的ICNIRP 導則》，規(guī)定了職業(yè)暴露和公眾暴露的限值要求，如表1 所示。

表1 ICNIRP 2020 導則一般公眾暴露（全身）的導出限值要求

3.1.2 IEEE C95.1-2019 標準

IEEE C95.1-2019 是美國電氣與電子工程師學會標準：《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric,Magnetic,and Electromagnetic Fields,0 Hz to 300 GHz》：《關(guān)于人體曝露在0 Hz～300 GHz 電場、磁場和電磁場的安全水平標準》（C95.1-2019）對公眾區(qū)限值 。主要使用國家：美國、加拿大、日本、韓國以及我國臺灣地區(qū)等，如表2 所示。

表2 IEEE C95.1-2019 公眾區(qū)電磁場最大容許暴露水平

3.2 中國國家標準要求

3.2.1 限值評價標準

我國電磁輻射相關(guān)標準主要是參考IEEE、ICNIRP、IEC 等機構(gòu)的標準，總體上比國際標準趨嚴。在射頻段，我國電磁輻射標準的現(xiàn)狀如表3 所示。

表3 我國射頻電磁輻射技術(shù)標準現(xiàn)狀

其中《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）是我國電磁輻射領(lǐng)域最基礎(chǔ)、最重要的質(zhì)量評價標準，它規(guī)定了射頻電磁輻射的公眾曝露控制限值，如表4 所示。

表4 GB8702-2014 射頻段公眾曝露控制限值

3.2.2 三大運營商5G 電磁輻射限值要求

根據(jù)表4 射頻段公眾暴露控制限值要求，我國三大運營商的5G 基站輻射的最大功率密度限值要求如表5 所示。

表5 我國三大運營商5G（Sub 6G）電磁輻射限值要求

3.2.3 國際、國內(nèi)標準的輻射限值對比

通過上述表1、表2、表4 和表5 可以看出，我國GB 8702～2014 標準規(guī)定三大運營商的5G（Sub 6G）基站電磁輻射最大限值（輻射功率密度，6 分鐘平均值）在40～65 μW/cm2，而歐盟/美洲/亞太等大都國家普遍采用的國際標準ICNIRP-2020 和IEEE C95.1～2019 規(guī)定的5G基站電磁輻射最大限值（功率密度）為1 000 μW/cm2。顯然，我國的5G（Sub 6G）基站輻射限值比大都國家采用的國際標準限值嚴酷了15～20 倍。

當然，也有少數(shù)國家的5G 輻射限值比我國嚴酷，如波蘭、意大利為9.5 μW/cm2（輻射功率密度），瑞士則為4.2 μW/cm2（輻射功率密度），比我國嚴苛4～10 倍，比歐美大部分國家嚴苛100～200 倍。不過，目前波蘭等國家已放寬至1 000 μW/cm2。

通過上述輻射限值對比，不同國家/地區(qū)的電磁輻射安全管制要求差異非常大，也可以說明電磁輻射功率對公共環(huán)境與公眾健康的實際影響，目前全球尚未有公認的統(tǒng)一確定標準。通信射頻電磁輻射屬于非電離輻射，低強度微波電磁輻射長期暴露是否能引起肌體的健康危害尚存在一定的爭議。

不過，事實上移動基站從1G 到2G、3G、4G 近40年來，國際一直有不少機構(gòu)如：世界衛(wèi)生組織（WHO）、國際癌癥研究中心（IARC）以及我國科技部“973”項目《電磁輻射危害健康的機理及醫(yī)學防護的基礎(chǔ)研究》（2011 年）等，對移動通信的射頻電磁輻射（弱物理因素）公眾暴露引發(fā)的健康效應(yīng)進行了較長期的系統(tǒng)研究，目前還尚無確定性的研究結(jié)論、也沒有實際的案例可以證明基站輻射對公眾暴露產(chǎn)生確定性的健康影響。ICNIRP 和WHO 規(guī)定射頻電磁公眾輻射照射限值（功率密度）≤1 000 μW/cm2，也是基于射頻電磁場健康效應(yīng)的長期研究尚未發(fā)現(xiàn)有確定性的健康影響而得出的一個安全限值。

4 商用5G 外場輻射監(jiān)測結(jié)果分析

前述提到了5G 天線的實際發(fā)射功率與天線波束方向都是用戶隨動且與務(wù)需求強相關(guān)，5G 輻射問題也只有考慮在業(yè)務(wù)需求場景下才有實際意義，非業(yè)務(wù)場景下（廣播狀態(tài)）的5G 因天線發(fā)射功率比較低通常無需考慮輻射問題。

4.1 監(jiān)測應(yīng)用場景與監(jiān)測依據(jù)

5G（Sub 6G）的主要應(yīng)用有eMBB（增強型移動寬帶）、uRLLC（超高可靠與低延遲通信）、mMTC（海量機器類通信）等三大類業(yè)務(wù)場景，具體包括：數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、游戲娛樂、虛擬購物、智慧醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用和車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景，可以根據(jù)監(jiān)測目的選擇不同的應(yīng)用場景。

本文重點在探討5G 電磁輻射安全的符合性，監(jiān)測商用5G 外場的電磁輻射水平情況無疑是最有說服力的實踐，而5G 最廣泛和最典型的應(yīng)用場景是eMBB，其中又以下行速率達1～1.2 Gbit/s的高速下載方式為5G 電磁輻射環(huán)境監(jiān)測的最嚴酷加載應(yīng)用場景。

依據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部制定的HJ 1151-2020《5G 通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》以及GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》等強制性標準，中國電信研究院2020 年對現(xiàn)網(wǎng)各種5G 基站（含5G 共享基站）的外場電磁輻射水平進行了抽測。

4.2 eMBB 監(jiān)測結(jié)果

在5G 單用戶或多用戶同一方向上，根據(jù)5G 基站各種現(xiàn)網(wǎng)配置模式，持續(xù)6 分鐘高速加載業(yè)務(wù)（下行速率600 Mbit/s～1.2 Gbit/s）的嚴酷應(yīng)用場景下，以基站天線為圓心、半徑為約26～160 m的環(huán)境敏感區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測并統(tǒng)計了5G 天線法線方向上（波瓣/波束寬度覆蓋范圍內(nèi)）的電磁輻射劑量（功率密度）。

監(jiān)測結(jié)果表明eMBB 應(yīng)用場景下不同的下行速率，對監(jiān)測讀數(shù)影響較大，通常下行速率越大則敏感區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測輻射數(shù)值也越大。天線覆蓋的敏感區(qū)域內(nèi)監(jiān)測到的輻射最大值不超過21 μW/cm2（功率密度，6 分鐘平均值），遠低于國家標準GB 8702-2014 規(guī)定的不超過47 μW/cm2（頻段3.4～3.5 GHz）限值要求，更是遠遠低于國際標準ICNIRP和世衛(wèi)WHO所規(guī)定的不超過1 000 μW/cm2限值要求。

需說明的是，盡管5G 電磁輻射摸底監(jiān)測來源于實際的商用現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下進行的，但現(xiàn)網(wǎng)5G 基站數(shù)量龐大，安裝環(huán)境十分復雜，不僅架設(shè)高度、天線下傾角都有不同，基站覆蓋范圍內(nèi)還存在建筑物遮擋、反射、繞射等影響，摸底監(jiān)測樣本難于兼顧基站所有安裝場景。因此，在樣本基站選擇中，考慮了密集商業(yè)區(qū)、城市居民區(qū)、郊區(qū)等三種不同的典型建站環(huán)境，來監(jiān)測環(huán)境敏感區(qū)域的5G 電磁輻射水平，確保了監(jiān)測選點具有較好的代表性和普遍性。此外，監(jiān)測布點在5G 基站天線下傾角及天線波瓣寬度覆蓋范圍內(nèi)的電磁環(huán)境敏感目標處，避免由于監(jiān)測布點不規(guī)范而導致的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果差異過大問題，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性和客觀性。

5 結(jié)語

本文分析了5G mMIMO 波束賦形具有的波束指向性、用戶隨動特點以及業(yè)務(wù)需求與波束輻射強度的關(guān)系，同時對比了國際國內(nèi)5G 輻射限值標準要求，并根據(jù)HJ 1151-2020《5G 通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》，分析了eMBB 應(yīng)用場景下的5G 商用現(xiàn)網(wǎng)外場的電磁輻射水平結(jié)果，對5G 電磁輻射的安全符合性進行了評估，認為5G（Sub 6G）電磁輻射水平整體上符合國家標準GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》要求。今后對于密集城區(qū)/居民區(qū)處的5G 基站選址時，做到科學規(guī)劃和合理設(shè)站，同時加強建站前的電磁輻射影響預(yù)評估以及建成投入運行前的監(jiān)測，5G 電磁輻射風險可以得到有效管控，天線覆蓋范圍內(nèi)敏感區(qū)域的輻射水平將有效控制在國家標準GB8702的限值之下，因此，公眾無需對5G（Sub 6G）基站的電磁輻射感到擔憂。

最后希望通過本文的介紹，能有助于公眾消除對5G電磁輻射問題的誤解與顧慮，促進公眾進一步加深認識5G、理解5G、擁抱5G，并支持5G的建設(shè)發(fā)展，推動打造一張綠色環(huán)保、百姓放心的高質(zhì)量5G 網(wǎng)絡(luò)。