5G移動通信基站電磁輻射監(jiān)測方法研究

謝平展 劉 寒 李成棟

（廣東智環(huán)創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司，廣東 廣州 510045）

隨著中央政治局常務(wù)委員會發(fā)布“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”的發(fā)展戰(zhàn)略，5G 基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等7 個領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展新階段[1]。其中，5G 基站建設(shè)不僅是“新基建”的首位，還是其他領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施和必要條件。大規(guī)模的5G 基站在賦能各行各業(yè)的同時，也可能會使周圍環(huán)境受到電磁輻射的影響。人民群眾針對基站輻射的信訪投訴也與日俱增，甚至出現(xiàn)糾紛、沖突和逼遷等情況[2]。為妥善處理人民群眾的關(guān)切，營造和諧的社會環(huán)境，必須準(zhǔn)確掌握5G 基站的電磁輻射水平，并確保滿足國家標(biāo)準(zhǔn)限值[3]。生態(tài)環(huán)境部于2020 年12 月發(fā)布《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》（HJ 1151—2020），指導(dǎo)5G 基站的監(jiān)測工作，但是其中涉及多種應(yīng)用場景和多種終端距離的內(nèi)容，可能導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的偏離。該文在大量監(jiān)測實踐和經(jīng)驗累積的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論公式預(yù)測和數(shù)據(jù)驗證分析的方式，對5G監(jiān)測工作提出相應(yīng)的建議，也為生態(tài)環(huán)境管理部門、基站建設(shè)運營商以及進(jìn)行5G 基站監(jiān)測工作的同行提供參考。

1 Massive MIMO 技術(shù)對5G 基站監(jiān)測的影響

5G 基站采用MassiveMIMO 技術(shù)來提高系統(tǒng)容量、頻譜利用率和信號質(zhì)量。Massive MIMO 的關(guān)鍵技術(shù)有波束賦形、空分復(fù)用等。2010 年，貝爾實驗室提出了Massive MIMO 技術(shù)。2015 年，ITU 將Massive MIMO 確立為“IMT-2010”（5G）的關(guān)鍵技術(shù)之一。Massive MIMO 通過使用大量天線陣子構(gòu)成物理天線陣列，提高波形靈活性，滿足對覆蓋靈活性和增益要求高的場景。采用Massive MIMO 技術(shù)可以使信號以水平方向、垂直方向全維度發(fā)射，通過空域、時域、頻域和極化域等將信號電磁波以束狀形式輻射，以提升頻譜和利用效率，所以MassiveMIMO 被稱為3D-MIMO[4]。得益于Massive MIMO 技術(shù)在5G 基站的應(yīng)用，電磁波可定向投放到終端用戶。5G 基站周圍的電磁環(huán)境變化頻繁，場強分布情況復(fù)雜。為了準(zhǔn)確獲取5G 基站的電磁輻射監(jiān)測值，監(jiān)測過程中需要將應(yīng)用終端與基站建立連接，同時，應(yīng)用終端與儀器探頭的距離也會直接影響監(jiān)測結(jié)果。

2 監(jiān)測設(shè)備：選頻式電磁輻射監(jiān)測儀

根據(jù)《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》（HJ 1151—2020）的要求，5G 基站的監(jiān)測工作必須采用選頻式電磁輻射監(jiān)測儀[5]。該次測試采用由北京森馥科技股份有限公司生產(chǎn)的電磁輻射選頻分析儀，主機型號為OS-4P，探頭型號為SRF-06，測量電場0.001 V/m～300 V/m，頻率為30MHz～6GHz。該設(shè)備經(jīng)華南國家計量測試中心/廣東省計量科學(xué)研究院校準(zhǔn)。選頻式電磁輻射監(jiān)測儀電性能基本要求見表1，選頻式電磁輻射監(jiān)測儀監(jiān)測儀器參數(shù)和檢定情況見表2。

表1 選頻式電磁輻射監(jiān)測儀電性能基本要求

表2 選頻式電磁輻射監(jiān)測儀監(jiān)測儀器參數(shù)和檢定情況

3 針對應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)驗證

目前，5G 基站的電磁輻射監(jiān)測的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》（HJ 1151—2020），其中“2.4 節(jié) 應(yīng)用場景”中5G 移動通信應(yīng)用場景包括增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低延時通信（uRLLC）和大規(guī)模機器類通信（mMTC），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)用和車聯(lián)網(wǎng)等場景。

數(shù)據(jù)傳輸是指通過一條或者多條數(shù)據(jù)鏈路將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端，實現(xiàn)點與點之間的信息傳輸與交換。與4G 基站相比，5G 基站的數(shù)據(jù)傳輸可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。視頻交互是指借由5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提升以及成熟的多媒體技術(shù)，融入各種技術(shù)手段產(chǎn)生的一種新型視頻體驗。游戲娛樂則要求高帶寬、低延時的網(wǎng)絡(luò)特性。和4G 相比，5G 可以提供數(shù)十倍的帶寬，尤其是高下行帶寬可以將更高質(zhì)量的游戲畫面輸送到客戶端設(shè)備，給用戶帶來完美的實時體驗。同時，5G 網(wǎng)絡(luò)的切片技術(shù)又可以保證極低的延遲。虛擬購物是基于5G 大帶寬、低延時的特性，結(jié)合VR 視頻捕捉技術(shù)，對攝入的視頻在云端進(jìn)行渲染，并通過5G 云專線和終端進(jìn)行快速交互，進(jìn)而為消費者提供一種快速、真實和可互動的購物體驗。智慧醫(yī)療是指結(jié)合5G技術(shù)，利用有限的人力資源和醫(yī)療儀器設(shè)備，發(fā)揮醫(yī)院的醫(yī)療技術(shù)優(yōu)勢，為患者的診斷、急救和護(hù)理等應(yīng)用場景提供實時、遠(yuǎn)程、高移動性和數(shù)字化的醫(yī)療服務(wù)，并促進(jìn)醫(yī)療信息化上升到智慧醫(yī)療，進(jìn)一步提升醫(yī)療效率和診斷水平，提高醫(yī)院的運營效率，降低醫(yī)院的運營成本，促進(jìn)醫(yī)療資源共享下沉等。工業(yè)應(yīng)用是指將5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于包括但不限于實時控制、視覺檢測、數(shù)字孿生、智能運維、車間物流、遠(yuǎn)程控制以及AR 遠(yuǎn)程指導(dǎo)等工業(yè)場景，滿足高實時、高安全、高可靠的通信要求。車聯(lián)網(wǎng)是指通過匯集車、路、云和人4 個要素的信息，并且在詳盡、細(xì)致的分析之后，在統(tǒng)一協(xié)議下實現(xiàn)人、車、路、網(wǎng)和云之間的數(shù)據(jù)互通互享，最終實現(xiàn)智能交通、智能服務(wù)以及智能駕駛等功能。

為了比較不同應(yīng)用場景對監(jiān)測結(jié)果的影響，由測試人員使用電磁輻射選頻分析儀（儀器型號為OS-4P/SRF-06）對5G 基站進(jìn)行比對測試。考慮比對測試工作的可操作性，該次測試選取游戲娛樂、視頻交互、數(shù)據(jù)傳輸3 種應(yīng)用場景。目前，我國各運營商建設(shè)的5G 基站按照頻率范圍可分為3 GHz 以下和3 GHz 以上。為了獲取更全面的比對數(shù)據(jù)，該次測試選取了3 GHz 以下、3 GHz 以上的5G 基站分別進(jìn)行實測。

應(yīng)用場景為游戲娛樂持續(xù)6 min、快速刷抖音6 min（0.5 s/次）、數(shù)據(jù)傳輸（與刷抖音的流量保持一致）?？焖偎⒍兑羰菫榱嗽? min 保持持續(xù)的流量，盡可能在6 min 產(chǎn)生更高的總流量。數(shù)據(jù)傳輸與刷抖音保持一致的流量有助于保證數(shù)據(jù)的可比性[6]。

3.1 3GHz 以下的5G 基站的測試結(jié)果

終端與探頭的距離為1m，終端的型號為HONOR30S，測量點位與天線的高差為2m，頻率為2515MHz～2675MHz，測量點位與天線的水平距離分別為10m、30m 和50m，測量點位分別在主射方向以及偏離主射方向30°。采用不同應(yīng)用場景的比對測試結(jié)果（3GHz 以下）見表3。

表3 采用不同應(yīng)用場景的比對測試結(jié)果（3 GHz 以下）

3.2 3GHz 以上地面站的測試結(jié)果

終端與探頭的距離為1m，終端的型號為Mi10LiteZoom，測量點位與天線的高差為4m，頻率為3400MHz～3500MHz，測量點位與天線的水平距離分別為10m、50m 和100m，測量點位分別在主射方向以及偏離主射方向30°。采用不同應(yīng)用場景的比對測試結(jié)果（3GHz 以上）見表4。

表4 采用不同應(yīng)用場景的比對測試結(jié)果（3 GHz 以上）

4 針對終端距離的數(shù)據(jù)驗證

《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》（HJ 1151—2020）第4.5 節(jié)要求“監(jiān)測時，監(jiān)測儀器探頭（天線）置于監(jiān)測儀器支架上，探頭（天線）尖端與操作人員軀干之間距離不少于0.5 m，并與5G 終端設(shè)備保持在1 m 至3 m 范圍內(nèi)；避免或盡量減少周邊偶發(fā)的其他電磁輻射源的干擾及監(jiān)測儀器支架泄露電流等影響?！?/p>

4.1 3GHz 以下的5G 基站的測試結(jié)果

為了比較探頭與終端的距離對監(jiān)測結(jié)果的影響，由測試人員使用電磁輻射選頻分析儀（儀器型號為OS-4P/SRF-06）對5G 基站進(jìn)行比對測試（探頭終端距離分別設(shè)置為1m、2m 和3m）。終端的型號為HONOR30S，測量點位與天線的高差為2m，頻率為2515MHz～2675MHz，應(yīng)用場景為數(shù)據(jù)傳輸，總流量為5GB，測量點位與天線的水平距離分別為10m、50m，測量點位分別在主射方向以及偏離主射方向30°。采用不同應(yīng)用場景的比對測試結(jié)果（3GHz 以下）見表5。

表5 采用不同探頭終端距離的比對測試結(jié)果（3 GHz 以下）

4.2 3GHz 以上的5G 基站的測試結(jié)果

為了比較探頭與終端的距離對監(jiān)測結(jié)果的影響，由測試人員使用電磁輻射選頻分析儀（儀器型號為OS-4P/SRF-06）對5G 基站進(jìn)行比對測試（探頭終端距離分別設(shè)置為1m、2m 和3m）。終端的型號為Mi10LiteZoom，測量點位與天線的高差為4 m，頻率為3 400 MHz～3 500 MHz，應(yīng)用場景為數(shù)據(jù)傳輸，總流量為5 GB，測量點位與天線的水平距離分別為10 m、50 m，測量點位分別在主射方向以及偏離主射方向30°。采用不同應(yīng)用場景的比對測試結(jié)果（3 GHz 以上）見表6。

表6 采用不同探頭終端距離的比對測試結(jié)果（3 GHz 以上）

5 結(jié)論

該文根據(jù)《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》（HJ 1151—2020）的要求，針對不同的應(yīng)用場景、探頭和終端的不同距離，以控制變量的方式進(jìn)行比對測試。通過分析測試數(shù)據(jù)，得出不同情況下的變化規(guī)律，為后續(xù)的5G 基站監(jiān)測工作提出了建議，具體的結(jié)論如下：1）根據(jù)表3、表4 的測試數(shù)據(jù)可知，不同的應(yīng)用場景會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大影響。主要影響因素包括在6 min 內(nèi)使用的總流量、最高網(wǎng)速以及建立連接的時間。首先，游戲娛樂、快速刷抖音與數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡呔W(wǎng)速基本一致。其次，游戲娛樂使用的總流量為0.187 GB～0.36 GB，快速刷抖音與數(shù)據(jù)傳輸使用的總流量為1.19 GB～2.08 GB，快速刷抖音與數(shù)據(jù)傳輸使用的總流量遠(yuǎn)大于游戲娛樂的總流量。另外，數(shù)據(jù)傳輸雖然與刷抖音的流量保持一致，但是由于5G 的傳輸速度快，因此終端與基站建立連接的時間大約只有1 min，而游戲娛樂與快速刷抖音在6 min 內(nèi)始終與基站建立連接。該次測試的總流量為0.187 GB～2.080 GB，由于總流量越高，測量值也越高，因此為了測到5G 基站電磁環(huán)境影響的最大值，應(yīng)確保終端與基站有足夠長的連接時間以及總數(shù)據(jù)流量。為了提高5G 基站監(jiān)測的準(zhǔn)確性、復(fù)現(xiàn)性和可操作性，建議選擇統(tǒng)一的應(yīng)用場景：數(shù)據(jù)傳輸，總數(shù)據(jù)流量控制在3 GB。2）根據(jù)表5 和表6 的測試數(shù)據(jù)可知，在其他條件相同的情況下，探頭與終端距離為1 m 的測試結(jié)果都略大于距離2m、3m的測試結(jié)果。主要原因是5G 基站采用大規(guī)模MIMO 天線技術(shù)和動態(tài)波束賦形技術(shù)，可以將能量定向發(fā)射到終端位置，能量效率更高。因此，為了盡可能測到5G 基站周圍電磁環(huán)境水平的最大值，并同時考慮實際監(jiān)測過程中的可操作性，建議把探頭與應(yīng)用終端的距離設(shè)置為1 m。3）在實際監(jiān)測中，影響測試結(jié)果的因素很多，例如環(huán)境特征（基站周圍建筑物分布情況、電磁波的反射）、監(jiān)測條件、基站的架設(shè)高度、架設(shè)方式、下傾角以及天線增益等。鑒于日常監(jiān)測結(jié)果的變化更多，和該次測試的結(jié)果可能不盡相同，該文將通過累積更多的實踐數(shù)據(jù)，為后續(xù)的5G 基站監(jiān)測工作提供更多的經(jīng)驗和依據(jù)。