5G基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法及裝置研發(fā)

何帥興，李 海，曹明月，方燦琦，楊 庚

（杭州湘亭科技有限公司，浙江 杭州311100）

隨著5G系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，移動(dòng)通信技術(shù)的不斷升級(jí)為人們的生活和工作帶來了極大的便利，但同時(shí)基站電磁輻射也成為人們關(guān)注的重要問題之一[1-3]。基站是保證信息傳輸?shù)闹匾ㄔO(shè)，而為了保證基站的正常運(yùn)行，保障基站周邊居民電磁輻射處于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，需要對(duì)基站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)5G基站電磁輻射水平的研究目前尚處于初步發(fā)展階段，目前國(guó)內(nèi)已頒布HJ 1151—2020《5G移動(dòng)通信基站電磁輻射監(jiān)測(cè)方法》對(duì)5G基站電磁輻射測(cè)試的監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)因子、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)、監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)高度和監(jiān)測(cè)讀數(shù)等基本測(cè)試要求制定了新的標(biāo)準(zhǔn)[4]。在新標(biāo)準(zhǔn)的要求下，原有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法已不能較好地滿足5G基站的需求[5]。

現(xiàn)有的基站監(jiān)測(cè)通常是在建設(shè)基站量上抽取5%～30%的比例進(jìn)行基站的電磁輻射監(jiān)測(cè)，并通過人工處理得到可被記錄的數(shù)據(jù)，然后在可被記錄的數(shù)據(jù)中選取部分填入相應(yīng)的報(bào)告中。但由于5G技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的5G基站也在積極建設(shè)中。對(duì)于5G基站而言，需要加大監(jiān)測(cè)力度，同時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)擴(kuò)展到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“任意6 min平均”。倘若依然采用人工處理的方式，不僅會(huì)加重工作人員的負(fù)擔(dān)，甚至還可能達(dá)不到5G基站的要求。

為減輕工作人員人工處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)并提高處理效率，基于第一時(shí)刻和時(shí)間處理規(guī)則，開發(fā)了一種5G基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)出一套基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理裝置，為5G基站電磁輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理提供支持。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

基站是保證信息傳遞的重要建設(shè)，而為了保證基站的正常運(yùn)行，需要利用采集裝置采集基站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的分析并判定。值得說明的是，該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的感應(yīng)時(shí)間段應(yīng)當(dāng)為15 s或6 min，其對(duì)應(yīng)的分析方法分別為最大值分析和平均值分析。

現(xiàn)有的采集裝置包括主機(jī)和天線，且主機(jī)與天線一體設(shè)置。該采集裝置主要適于15 s的感應(yīng)時(shí)間段。但對(duì)于6 min的感應(yīng)時(shí)間段而言，使用該采集裝置會(huì)加重工作人員的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)虿杉b置的偏移而導(dǎo)致相應(yīng)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本研究提供一種基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集裝置，其可以適用于6 min的感應(yīng)時(shí)間段，從而減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，提高相應(yīng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由于基站的電磁波是空間傳播的，因此在測(cè)量時(shí)需要從X、Y、Z這3個(gè)軸向上計(jì)算該點(diǎn)電磁波的有效值，現(xiàn)有的全向天線上已集成了3個(gè)方向的天線，因此，實(shí)際上可以同時(shí)獲得3個(gè)不同方向的天線測(cè)量數(shù)據(jù)。

首先，通過天線得到單一頻點(diǎn)的功率電平值（dBm）。根據(jù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，由于基站的電磁輻射監(jiān)測(cè)讀數(shù)和評(píng)價(jià)均需要電場(chǎng)強(qiáng)度，因此先需要進(jìn)行功率單位到電場(chǎng)單位的轉(zhuǎn)換，功率電平值（dBm）加上天線的天線因子就得到單一頻點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值（dBuV/m）。再通過公式（1），將dBuV/m轉(zhuǎn)換成V/m，此時(shí)得到的就是符合監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

式（1）中：E為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位單一頻點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；x為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位單一頻點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，dBuV/m。

其次，此時(shí)得到了不同空間軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)電場(chǎng)強(qiáng)度是針對(duì)RMS方均根有效值進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過公式（2），將全向天線某一頻點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度有效值算出。

式（2）中：ERMS為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位單一頻點(diǎn)的RMS電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；EX為X軸天線的電場(chǎng)強(qiáng)度；EY為Y軸天線的電場(chǎng)強(qiáng)度；EZ為Z軸天線的電場(chǎng)強(qiáng)度。

最后，此時(shí)得到了某一頻點(diǎn)的有效電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，基站的工作模式均是在一定的頻段內(nèi)工作，而基站電磁輻射監(jiān)測(cè)就是為了監(jiān)測(cè)分析整個(gè)基站工作頻段的有效電場(chǎng)強(qiáng)度，通過公式（3），將基站工作頻段的所有頻點(diǎn)有效電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行積分。

式（3）中：Es為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位某基站頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度；m為某基站頻段內(nèi)被測(cè)頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Ei為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位某一頻點(diǎn)的有效電場(chǎng)強(qiáng)度。

至此，利用本方法已根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位3個(gè)方向軸天線的監(jiān)測(cè)電平值獲得了該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的電場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)5G基站的監(jiān)測(cè)特性，結(jié)合HJ 1151—2020《5G移動(dòng)通信基站電磁輻射監(jiān)測(cè)方法》中關(guān)于“任意6 min平均”。在某個(gè)6 min內(nèi)，以1 s為間隔，將第一個(gè)Es1至第360個(gè)Es360間所有Es數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均運(yùn)算，得到Esevg1，此后將第二個(gè)Es2至第361個(gè)Es361間所有Es數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均運(yùn)算，得到Esevg2，以此類推，可以持續(xù)獲得基于算數(shù)平均運(yùn)算的Esevgx。算數(shù)平均數(shù)據(jù)采樣規(guī)則如圖1所示。

圖1 6 min監(jiān)測(cè)規(guī)則

在得到基于算數(shù)平均的6 min滑動(dòng)平均值Esevgx后，人工賦予程序能夠接受的標(biāo)準(zhǔn)偏差（也稱均方根誤差）RMSE數(shù)值σ，σ反映了測(cè)量數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的程度，σ越小，表示測(cè)量精度越高，因此可用σ作為評(píng)定這一測(cè)量過程精度的標(biāo)準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)偏差σ等于真誤差平方的算術(shù)平均值再開方，人工賦予的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值即確定了可接受的真誤差范圍，程序便根據(jù)該范圍挑選數(shù)據(jù)并自動(dòng)記錄，以最大程度確保自動(dòng)記錄規(guī)則的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

圖2給出了所開發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法的實(shí)現(xiàn)流程，具體如下。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法的實(shí)現(xiàn)流程

接收啟動(dòng)信號(hào)，并響應(yīng)所述啟動(dòng)信號(hào)執(zhí)行獲取待處理的特征量，其中，啟動(dòng)信號(hào)的接收頻率、與特征量對(duì)應(yīng)的采集頻率、特征量的生成頻率相同。

獲取待處理的特征量并記為第一特征量，并將與第一特征量對(duì)應(yīng)的采集時(shí)刻記為第一時(shí)刻，特征量為基站頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度Es。特征量不是直接采集的，而是特征要素通過上文中的公式（3）以及公式（4）—（6）計(jì)算生成的，因此該特征量對(duì)應(yīng)有采集時(shí)刻和生成時(shí)刻，其中采集時(shí)刻為該特征要素被采集的時(shí)刻，生成時(shí)刻為該特征量生成的時(shí)刻。

式（4）—（6）中：d為采集裝置的天線因子；C為分電場(chǎng)強(qiáng)度；a為功率電平，dBm。

基于第一時(shí)刻和時(shí)間處理規(guī)則得到處理時(shí)間段，特征量按照采集時(shí)刻排列，且各個(gè)相鄰采集時(shí)刻的時(shí)間間隔均相同，第一時(shí)刻為所述處理時(shí)間段的終止時(shí)刻。

查詢采集時(shí)刻在所述處理時(shí)間段內(nèi)的對(duì)應(yīng)特征量，并組成特征量組。將采集時(shí)刻在處理時(shí)間段內(nèi)的對(duì)應(yīng)特征量組成預(yù)備組，計(jì)算預(yù)備組的離散要求，判斷預(yù)備組的各個(gè)特征量是否均符合離散要求，若符合則將預(yù)備組轉(zhuǎn)為特征量組。

計(jì)算特征量組的滑動(dòng)平均值，并保存所述滑動(dòng)平均值。特征量組的滑動(dòng)平均值為特征量組的算數(shù)平均值或特征量組的均方根值。計(jì)算所述特征量組的標(biāo)準(zhǔn)偏差，保存標(biāo)準(zhǔn)偏差小于預(yù)設(shè)閾值的滑動(dòng)平均值。

上述步驟是基于執(zhí)行設(shè)備完成的，包括服務(wù)器、用戶端、處理器等。用自動(dòng)處理代替人工處理，從而減輕人工負(fù)擔(dān)并提高工作效率，以便更好地適應(yīng)5G基站；各個(gè)特征量分別對(duì)應(yīng)有采集時(shí)刻、處理時(shí)間段、特征量組以及滑動(dòng)平均值，且該滑動(dòng)平均值即為可被記錄的數(shù)據(jù)，利用該方法增加了可被記錄的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更全面的監(jiān)測(cè)基站。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理裝置

為使承載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理程序方便工作人員使用，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理裝置。裝置結(jié)構(gòu)包括獲取模塊、處理模塊、查詢模塊、計(jì)算模塊、電子設(shè)備、處理器、存儲(chǔ)器、輸入裝置、輸出裝置等部件。裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖

獲取模塊用于獲取待處理的特征量并記為第一特征量，將與第一特征量對(duì)應(yīng)的采集時(shí)刻記為第一時(shí)刻，特征量為基站頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度Es。處理模塊用于基于第一時(shí)刻和時(shí)間處理規(guī)則得到處理時(shí)間段，特征量按照采集時(shí)刻排列，且各個(gè)相鄰采集時(shí)刻的時(shí)間間隔均相同，第一時(shí)刻為處理時(shí)間段的終止時(shí)刻。查詢模塊用于查詢采集時(shí)刻在處理時(shí)間段內(nèi)的對(duì)應(yīng)特征量，并組成特征量組。計(jì)算模塊用于計(jì)算特征量組的滑動(dòng)平均值，并保存滑動(dòng)平均值。

電子設(shè)備可以是臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器（實(shí)體服務(wù)器或云服務(wù)器）等，甚至也可以是手機(jī)或平板電腦等，包括處理器、存儲(chǔ)器、輸入裝置和輸出裝置。其中處理器的數(shù)量可以是一個(gè)或多個(gè)，通過總線或其他方式連接其余設(shè)備；存儲(chǔ)器主要包括存儲(chǔ)程序區(qū)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)區(qū)，其中存儲(chǔ)程序區(qū)可存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、至少一個(gè)功能所需的應(yīng)用程序，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)區(qū)可存儲(chǔ)根據(jù)終端的使用所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)等；輸入裝置可以用于接收獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)；輸出裝置可以包括文檔或顯示屏等顯示設(shè)備。

同時(shí)，通過數(shù)據(jù)線不僅實(shí)現(xiàn)主機(jī)（處理模塊、查詢模塊、計(jì)算模塊、電子設(shè)備、處理器、存儲(chǔ)器等）和數(shù)據(jù)獲取模塊的數(shù)據(jù)傳輸，還實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與獲取模塊的分離；由于數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度大于或等于天線的監(jiān)測(cè)高度，因此可以用單手舉托天線或?qū)⑻炀€放置于符合要求的監(jiān)測(cè)位置處，然后可以將主機(jī)放置于基準(zhǔn)面上，從而減小工作人員單手承受的質(zhì)量，以減輕工作人員的壓力，進(jìn)而提高相對(duì)數(shù)據(jù)的精確度。

該裝置是一款設(shè)計(jì)獨(dú)特的選頻測(cè)量系統(tǒng)，通過以上測(cè)量方法及相關(guān)裝置，對(duì)高頻尤其是共建基站的復(fù)雜電磁場(chǎng)進(jìn)行安全分析和環(huán)境測(cè)量。測(cè)量范圍可覆蓋最新應(yīng)用的廣播、移動(dòng)基站和NB-ⅠoT物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)領(lǐng)域。通過不同電磁輻射源的頻譜特征峰找到不同電磁輻射源的貢獻(xiàn)值，從而在比核輻射監(jiān)測(cè)更為復(fù)雜的電磁環(huán)境中得到精準(zhǔn)的結(jié)果，這個(gè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)糾紛及公眾情緒維穩(wěn)時(shí)能起到判定性作用。

4 總結(jié)

基站電磁輻射監(jiān)測(cè)對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和公眾安全具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效處理，減輕人工負(fù)擔(dān)，基于第一時(shí)刻和時(shí)間處理規(guī)則，開發(fā)了一種5G基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)出一套基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理裝置。該方法及裝置實(shí)現(xiàn)了5G基站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、處理、輸出，有效提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理效率。