5G基站電磁輻射預測及防護探討

陳永梅 吳沛林 王鋮

安徽省合肥生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 安徽 合肥 230000

引言

近年來，我國在大力推廣應用5G移動通信技術的過程中，配套建設了5G基站。根據(jù)現(xiàn)階段公布的數(shù)據(jù)看，基站建設總量已經(jīng)達到70%以上，可以為智慧城市、遠程醫(yī)療、智能家居、工業(yè)控制等各領域提供通信支持。但是，在此類基站建設及投入運行后，受到物理屬性的限定，存在相應的電磁輻射，并通過站間距、波束賦形等對使用中的天線，以及應用場景中的環(huán)境產(chǎn)生相應影響。因而在新時期各行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展階段，需要持續(xù)加強該方面的研討，促進此類基站的安全建設與使用。

1 5G基站電磁輻射標準與監(jiān)測概述

1.1 標準

電磁輻射主要是變化的電場與變電的磁場，借助相互作用方式引起的能量流傳播，也被表述為能量通過電磁波的形式從源發(fā)射到空間產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。其來源包括兩個方面[1]：①人工電磁輻射源；②天然電磁輻射源。5G基站電磁輻射屬于前者，由于此類基站電磁輻射會對環(huán)境與人體造成污染與影響，因此，在基站建設過程中預設了多項標準，要求將其頻率范圍控制在300GHz～1Hz之間（如表1）。

表1 基站電磁輻射標準

1.2 監(jiān)測

在生態(tài)文明思想牽引下，基站項目中增加了環(huán)境工程，主要通過環(huán)境影響評價與項目竣工環(huán)保驗收兩大方法進行落實。從基站輻射檢測中的監(jiān)測情況看，監(jiān)測點設置時通常包括了氣象條件、環(huán)境條件、測試時間、敏感目標，監(jiān)測設備等。具體的監(jiān)測中，要在確定發(fā)射頻率后，對其開展至少5次連續(xù)監(jiān)測，并將監(jiān)測時間控制在15s/次以上，然后記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)并劃分其輻射范圍等。

2 5G基站電磁輻射的影響分析

近年來，5G標準演進較快，在5G基站工程中，站間距、波速賦形、發(fā)射通道數(shù)、多進多出技術等各個方面的技術指標出現(xiàn)了一些變化。同時，應用4.9GHz頻段后，5G網(wǎng)絡子幀上下行配置與之前有所差異[2]。在此類因素變化后會對基站電磁輻射水平產(chǎn)生相應影響，因此，在當前階段需要對其影響做出分析，并結(jié)合此類分析結(jié)果，為后續(xù)預測與防護提供數(shù)據(jù)相應支持。分述如下：

2.1 以站間距為例

此類基站應用的頻率較高，需要設置高密站距，也存在高穿損情況。目前，宏基站中以現(xiàn)有站址為基礎建設共址，5G站間距與4G站間距無顯著差異。新時期，隨著立體式網(wǎng)絡架構(gòu)部署工作的實施，微站設備激增，此時需要縮小站間距并造成基站輸出功率下降。從站間距對電磁輻射的影響情況看，與4G時代基本相同。

2.2 以波束賦形為例

多進多出技術是5G移動通信工程中比較突出的關鍵技術，由于其具有空口技術特征，在應用中以大陣列天線的波束賦形技術為硬件基礎，因而應用64TR射頻設備時，波的疊加與干涉會產(chǎn)生64個原子窄波束。在控制波束功率與方向時，需要借助智能天線完成，此時必然會產(chǎn)生對天線的輻射。

2.3 以發(fā)射功端功率為例

目前，三大運營商及社會化企業(yè)，在5G室外基站中仍以4G/5G共模設備應用為主。當使用64/32通道設備時，其中的額定功率為240W、320W。在2.6GHz頻段以上的帶寬（160MHz），通常只占用前100MHz，其余用于新天線3D載波的反向開通。因而，實際上的總發(fā)射功率處于協(xié)同分配狀態(tài)，在這種條件下，5G基站應用不同功率型號設備后，需要區(qū)分反開與未反開4G的情況[3]。①未反開時，處于正常狀態(tài)。通常情況下，5G基站能夠配置100MHz帶寬、200W功率。②反開后，其基站發(fā)射功率會發(fā)生相應的變化。以64通道射頻設備為例（原本配置100MHz帶寬、240W功率）：①當反向開通1個新天線3D載波時，4G配置功率為40W，5G為200W。②當反向開通2個新天線3D載波時，4G基站配置40Hz帶寬、80W功率，這時5G基站配置的帶寬不變，其發(fā)射功率會縮減到160W。

2.4 以子幀上下行配置為例

5G基站帶占用100MHz帶寬，在時域上下行配置方面，粒度選擇OFDM符號，子載波間隔為30kHz，這時任意子幀中的時隙數(shù)量為2，1個時隙中的粒度為14個OFDM符號。在2.6GHz與4.9GHz頻段下，選擇的幀結(jié)構(gòu)有所差異，其中的上下行符號占比也有所不同。以2.6GHz頻段為例，應用5m單周期幀結(jié)構(gòu)時的上下行時隙占比為7DL：2UL，S時隙（特殊時隙）配置為6：4：4；下行符號占比為104：140。以4.9GHz頻段為例，以2.5m單周期幀結(jié)構(gòu)或雙周期幀結(jié)構(gòu)均可，在雙周期方面的上下行符號占比為90∶140。

3 5G基站電磁輻射預測方法

首先，結(jié)合上述影響分析可以認識到，此類基站電磁輻射會受到發(fā)射功率的較大影響，5G基站中占用了100MHz帶寬。假定：①額定發(fā)射功率為；②子幀配置下行符號占比為；③下行發(fā)射流數(shù)為c。此時，可以得到發(fā)射平均功率P的功式為：

第三，天線歸一化方向性函數(shù)，會對電磁輻射值（天線輻射場空間內(nèi)任意點）產(chǎn)生影響，按照均勻直線方向陣函數(shù)對其進行擬合時，容易發(fā)生偏差，而且擬合得到的天線方向圖并不能符合實際工程情況。因此，在現(xiàn)階段通常會根據(jù)供應商提供的數(shù)據(jù)通過兩個夾角，查詢相關數(shù)據(jù)，從而確保其函數(shù)值的精準性，滿足工程可行性應用條件。以某類型的5G天線為例，供應商提供的天線方向性衰減表如表2：

表2 某類型5G天線方向性衰減表

第四，按照發(fā)射端天線遠場功率密度公式（現(xiàn)行《輻射環(huán)保管理導則電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》），忽略天線反射波影響后，假定：①觀測點與天線間的距離為r；②r位于5G基站電磁場功率密度位置，假定該功率密度為。前者單位為m，后者單位為W/㎡。此時，可以得到公式：

第五，在公式（3）中代入公式（1）與（2），此時，基站的電磁輻射功率與電磁場功率密度趨于一致，可以用公式表述為：

由此可知，在成功預測5G基站電磁輻射功率時，可能得到對電磁輻射的防護距離。因此，在實際上的5G基站電磁輻射安全防護過程中，只需要設置相應的指標便可以較好地達到對其有效防護，從而為基站建設提供相應的數(shù)據(jù)支持。

4 5G基站電站輻射防護分析

首先，按照基站輻射標準，在任意基站借助天線發(fā)射電磁波的過程中，其電磁輻射防護限值具有明確規(guī)定。同時，電磁場公眾暴露控制限值也十分明確[4]。例如：①在任意選取的6min時間間隔中，基站選擇的頻率為2.6GHz，這時的該基站電磁輻射等效平面波功率密度平均值不能超過0.08W/㎡。②當基站選擇的頻率為4.9GHz時，其平均值不超過0.13W/㎡。假定值的限定條件為這兩個頻段下任意基站個個頻率，那么將該值作為電磁輻射防護距離公式（5）中的確定值，就可以得到相對精準的數(shù)據(jù)。

其次，將求得的r值作為參考值后，天線增益最大方向為天線的輻射方向，按照定義下的天線歸一化方向條件看，其最大值等于1。那么，根據(jù)5G基站電磁輻射防護距離，參考5G基站電磁輻射防護距離（天線輻射距離）建議值（如表3），實際上，可以合理地選擇安全防護距離。

表3 5G基站天線軸向距離建議值

續(xù)表

第三，如果遇到非軸向時，出現(xiàn)了敏感值，這時應結(jié)合已知方向中的兩個夾角，結(jié)合供應商提供的天線衰減表，計算其非軸向條件下的防護距離值[5]。由于該值不會超過軸向防護距離，因而能夠利用給定條件合理的計算并將其與建議值進行比較后加以確定。

5 結(jié)束語

總之，在新時期各行業(yè)應用5G移動通信技術的過程中，需要加強對其基站電磁輻射影響情況的研討。結(jié)合以上初步分析可以看出，此類基站電磁輻射標準十分明確，其中的監(jiān)測方法也比較安全可靠。但是在5G基站建設過程中使用的頻段有所增加，配套設備的功率也隨之增加，此時站間距、波束賦形、總發(fā)射功率、子幀上下行配置均有所變化，在這種情況下，應充分結(jié)合其影響因素科學的選擇預測方法，并做好防護指標設置，以此促進基站建設與電磁輻射監(jiān)測、預測、防護一體化，為我國各行業(yè)應用該項技術添磚加瓦。