5G基站辐射安全与网络规划研究

许浩，曹弘毅

（中国电信股份有限公司上海分公司，上海 200120）

1 引言

目前5G网络相比于4G，使用更大的带宽、更高的频谱。为了保证覆盖效果，一方面5G 100 MHz的带宽相比于4G 20 MHz的带宽需要5倍左右的功率；另一方面，5G主流使用的3.5 GHz频段相比于4G常用的1.8 GHz频段，传播距离更短、穿透能力更弱，需要部署更多的基站。因此，需要引入超密集组网增强覆盖能力，这也导致基站与公众活动区域间的距离更近。生活中随处可见的5G基站设备也使得公众开始关注5G辐射安全问题。

基于此，为了在满足辐射安全规范的情况下开展组网，需要从5G异构组网基站设备性能、电磁辐射原理、安全规范要求、典型室内外覆盖场景等方面开展相关研究分析，为在实际组网中避免辐射危害提供依据，指导5G规模建设过程中既能保证网络质量和用户感知，又能兼顾确保网络设备对公众电磁辐射安全。

2 超密集异构网络组网

超密集无线异构网络能够大幅提升无线网络容量与流量密度，被认为是5G网络的重要组网技术之一。5G来临后，移动通信将会大量使用3 GHz以上频段，甚至是毫米波频段。基于宏基站蜂窝的传统组网方式已经无法满足高频段的需求，如图1所示，除宏基站以外，将引入电线杆（高杆）、路灯杆（低矮杆）、电话亭等异构站址，基站密度大幅增加。

图1 异构网络覆盖场景示意图

5G网络架构包括无线接入网和核心网。用户设备（user equipment，UE）发起业务，经过新空口（new radio，NR）到达无线接入设备，可以是有源天线处理单元（active antenna unit，AAU）、微型远端射频单元（pico remote radio unit，pRRU）、远端射频单元（remote radio unit，RRU），进入集中式单元/分布式单元（centralized unit/distributed unit，CU/DU）进行基带处理，经过5G核心网（5G core network，5GC）转发至外部数据网络（data network，DN）。

在5G组网方案中，主要使用的无线接入设备类型、典型射频性能指标及典型应用场景见表1。

由表1可见，各种组网设备发射功率、天线增益、设备与公众距离有较大差别，导致辐射强度也有较大差别。

表1 5G网络无线覆盖设备类型典型射频性能指标及典型应用场景

3 电磁辐射影响与理论模拟计算

3.1 电磁辐射对人体影响与国家标准要求

移动网络通过无线电波通信，使用户可以随时随地连接网络、沟通世界，已成为公众生活中一个重要的组成部分。包括5G在内的移动通信基站所发射的无线电波是电磁波的一种，但与X射线或γ射线辐射等电离辐射不同的是，无线电波不会打破化学键，也不会给人体造成电离辐射伤害。但鉴于移动电话用户普及率极高，公众对基站电磁辐射的关注度越来越高。

世界卫生组织过去20年来进行了大量研究，以评估移动电话是否具有潜在的健康风险。迄今为止，尚未证实移动电话的使用对健康造成任何不良后果，但认为各国相关部门应采取措施保护其公民避免有害强度的射频场对健康造成影响。

国家标准《GB 8702-2014 电磁环境控制限值》，规范了包括5G网络在内的电磁辐射环境影响的最高限值，详见表2。

表2 电磁环境控制限值

电场强度在数值上等于电场中某一点的单位电荷在那一点所受的电场力，理想电荷的电量、体积均充分小，可忽略它对电场分布的影响并精确描述各点的电场。功率密度指一个从放射源向平面状物体照射时，每单位面积所得到的放射束数量的物理量。

电场强度E与功率密度Seq以式（1）进行换算。

其中，Z0为自由空间的波阻抗，为377 Ω。

后文将以应用较为普遍的功率密度为单位计算。

根据具体所用频段不同，不同运营商的频段辐射限值有些许的区别。根据安全原则，选取频段中能够得出最小功率密度限值的频率下沿进行计算，详见表3。

表3 5G移动通信各频段的电磁环境控制限值

3.2 模拟计算理论基础

根据目前国际上5G主要使用的3.5 GHz频段计算，以f=3 500 MHz为例（对应的安全功率密度为0.467 W/m2），分析研究各种覆盖场景下辐射强度水平情况。

天线的辐射场分为3个区域，分别是电抗性近场、辐射近场（菲涅耳区）以及辐射远场（弗琅和费区）。其中电抗性近场为天线口径面至λ/2π（约1.4 cm）之间。辐射近场和远场边界如式（2）所示。

其中，D为天线口径（cm），λ为波长（cm）。

以3.5 GHz频段AAU为例，天线口径为9 cm，近远场边界约为19 cm。在实际案例中，基本没有公众可到达设备天线附近19 cm范围内的场景，因此本文仅讨论远场环境。

根据行业标准《HJ/T 10.2-1996 电磁辐射监测仪器和方法》，微波频段远场轴向功率密度（mW/cm2）计算式如式（3）所示。

其中，P为发射机平均功率（mW），G为天线增益（倍数），r为测量位置与天线轴向距离（cm）。

由图2可见，根据球面波理想模型计算辐射强度值时，设想在无限均匀介质中心存在一个全向发射天线，向球面任意一点增益相同，球面等距离各点距离发射机越远，功率密度随球面面积增大而衰减越大。

图2 远场轴向功率密度理想、实际计算模型

在实际网络中，多采用指向性较好的天线增强覆盖效果，以减小与周边使用相同频率基站的干扰。因此，主瓣正对方向，不同距离、不同角度的功率密度可根据式（3），考虑天线增益后计算得出，可形成如图2(b)的模型。由于在现实环境中，大气中的粉尘、水汽、人体、树木和建筑物等阻挡物均会对辐射强度造成不同程度的衰减，所以，实测值会明显低于理论值。

以中国电信、中国联通使用的3.5 GHz频段为例，上下行采取TDD时分复用的工作方式，采用5 ms双周期帧结构，上下行时隙配比为3:7，基站只在下行时发射功率，如图3所示。

图3 3:7双周期帧结构示意图

由于上下行时隙转换周期5 ms远小于国家标准规定的辐射测量周期6 min（见表2注2），所以基站发射功率长期平均值≈额定功率×70%。如果基站额定功率为200 W，计算时可将实际平均发射功率认为140 W。

3.3 主瓣方向安全距离

根据5G覆盖典型设备的主要参数，以0.467 W/m2为限值标准，基站上下行时隙配比3:7，按照表1所给定的天线增益计算，主瓣方位安全距离及距离与功率密度关系如图4所示。

图4 典型覆盖设备主瓣方位距离（m）与功率密度（W/m2)关系

4 典型场景安全区分析与理论计算

根据以上计算结果，继续以3 500 MHz频点，时隙配比为3:7的基站，分析在高杆站、低矮杆站、电话亭基站、室内微基站等各场景的安全距离。

4.1 高杆站场景

典型高杆站天线增益示意图如图5所示。由图5可见垂直增益主波瓣位于垂直面约95°方位，增益15 dBi，第一下旁瓣位于垂直面约120°方位，增益约−3 dBi，与主瓣差18 dB（63倍）；第二下旁瓣位于垂直面约125°方位，增益约−2 dBi，与主瓣差17 dB（50倍）。由于距离基站较近的位置往往方位角大于125°，增益比主瓣低17 dB以上，可忽略不计，仅需根据主瓣计算安全距离。

图5 典型高杆站天线增益

如图6所示，典型高杆站场景主要考虑水平安全距离，主要保护天线正对方向建筑等可能在主瓣正对方位公众活动区域的安全。主瓣方向角及主瓣安全距离共同影响水平安全距离。

图6 典型室外宏基站场景

根据图4可得天线的主瓣方向安全距离，高杆站天线主瓣安全距离为27.49 m。以综合下倾角15°计算，水平安全距离为26.55 m。据此，在天线正对方向，与基站距离26.55 m范围内不应存在相同高度或略低于基站的有人建筑物。

此外，高杆站天线挂高一般在20 m以上，下倾角一般不大于15°。天线下旁瓣的增益显著低于主瓣15 dB以上，无须考虑对于近点地面的辐射。

4.2 低矮杆站场景

如图7所示，低矮杆站场景主要有最低安全挂高和水平安全距离两项。最低安全挂高，主要保护在低矮杆场景中，在地面近点活动公众的安全；水平安全距离，主要保护天线正对方向建筑内活动公众的安全，可以通过主瓣安全距离计算水平安全距离及天线最低挂高。

图7 典型低矮杆站场景示意图

根据图7可得，40 W小型RRU的主瓣方向安全距离为7.75 m，以天线挂高15 m、综合下倾角15°计算，水平安全距离为7.48 m。据此，在天线正对方向，与基站距离7.48 m范围内不应存在相同高度或略低于基站的有人建筑物。

如果由于客观因素受限，天线挂高低于15 m，可计算最小安全挂高：

根据国家规范，人体高度考虑为1.7 m，下倾角为15°的情况下，最小安全挂高为3.7 m。由图8可见塔下近点天线增益约为−5 dBi以下，计算可得该位置功率密度小于0.10 W/m2，符合安全要求。

4.3 电话亭基站

由于5G电话亭基站天线挂高无法调整，仅为2.2 m，距离公众更近，此类基站的辐射问题，得到了社会的广泛关注。

由图8可见垂直增益主波瓣位于垂直面约7°方位，增益12 dBi，第一下旁瓣位于垂直面约15°方位，增益约0 dBi，与主瓣差12 dB（16倍）；由于电话亭的限制，主要通过使用优化发射功率的方法控制辐射强度。

图8 典型小型RRU天线垂直增益

根据图9，在公众位于电话亭门口时，约在第一下旁瓣方位，天线距人体约为0.7 m（水平距离约为0.5 m），天线增益约为0 dBi，同时考虑电话亭玻璃钢美化罩造成约5 dB的衰减，根据前文功率密度计算式，需优化发射功率至8 W以内，就能控制辐射强度至0.45 W/m2以内。

图9 典型电话亭站点场景

同时由于电话亭基站一般位于密集城区，天线主瓣方向辐射可能影响附近略高于地面位置的安全，例如附近存在台阶或自动扶梯等情况。需要额外考虑主瓣方向安全距离，在8 W功率下主瓣安全距离为3.46 m。据此，在天线正对方向，与基站距离3.46 m范围内应保持地面相对平整，或电话亭高于附近地面，避免主瓣照射高台、扶梯等公众可能到达的高处位置。

在电话亭内，由于人体与天线间存在不锈钢顶板阻挡，衰减在30 dB（1 000倍）以上，且该处天线增益低于0 dBi，故无须考虑该处辐射问题。

4.4 室内微基站理论计算

室内微基站多采用pRRU覆盖，设备大多为吸顶安装，主瓣垂直向下方辐射，如图10所示。

图10 室内微基站天线示意图

由于室内场景公众可达的最近距离在设备正下方，垂直安全距离和主瓣安全距离一致。pRRU安装高度应大于辐射安全距离+人体高度（1.7 m），常见pRRU射频指标与安全距离见表4。

表4 常见pRRU射频指标与安全距离（天线增益：5 dBi）

以额定发射功率2 W、天线增益5 dBi的典型pRRU计算，安全距离为0.869 m。工程实践中pRRU天线安装的高度应大于2.569 m。若层高较低，可通过相应地降低pRRU功率控制辐射强度低于安全限制，如降低到0.5 W，那么辐射值与有吊顶阻挡时高度相当。

考虑到大部分场景室内天线安装位置与公众可达位置间存在有石膏板、细木工板等装饰吊顶材料阻挡，一般衰减为5～13 dB，为充分考虑安全防护，以理想的3 dB衰减来计算，最低安装高度为2.134 m，明显低于大多数商业建筑层高。

5 实地测试验证

根据以上理论分析结果，针对室外宏基站场景、室外杆站场景、电话亭场景和室内微基站分别进行现场测试验证。根据国家标准，测试中国电信3 400～3 500 MHz基站，单次测试时间为1 min，取6次测试平均值得到最终结果。

从结果来看，由于理论计算基于理想环境，而现场环境中影响因素较多，实测值相比理论值略小。

5.1 典型高杆站场景测试情况

选取典型自立杆塔站型场景，使用RRU+外置天线，发射功率200 W，天线增益15 dBi，天线挂高约25 m，下倾角15°。由于现场无法找到高空位置测试，主要测试地面辐射情况。测试设备放置在距地面1.7 m进行测试（考虑人体高度1.7 m）。测试结果见表5，均符合安全规范。

表5 室外场景地面实测值

5.2 低矮杆站场景测试情况

选取典型低矮杆站场景，使用小型RRU，发射功率40 W，天线增益11 dBi，下倾角15°，天线挂高15 m。由于杆站无法找到高空位置测试，主要测试地面辐射情况。测试设备放置在距地面1.7 m进行测试（考虑人体高度1.7 m）。测试结果见表6，均符合安全规范。

表6 杆站场景地面实测值

5.3 典型电话亭基站场景测试情况

选取典型电话亭基站场景，覆盖设备为小型RRU，天线挂高2.2 m，增益11 dBi，功率计算结果设为8 W，有一层玻璃钢美化罩阻挡（衰减值5 dB以上）。测试设备天线高度2.2 m，位于主瓣正对方位。由于美化罩导致实测值低于理论值，理论值−5 dB（3倍）衰减后，与实测值基本契合。测试结果见表7。

表7 电话亭场景主瓣方向实测值

然后进行公众可达位置、配置不同的发射功率测试，测试设备天线高度1.7 m。测试结果见表8，在功率低于8 W的情况下，测试结果均符合安全规范。

表8 电话亭场景优化功率后公众可达位置辐射强度实测值

最后，在8 W功率下，进行覆盖效果测试。测试结果如图11所示。线条为RSRP，色块表示SINR，可见在功率降低至8 W的情况下，仍能保证100 m内的覆盖效果，可以发挥对电话亭站的设计要求，有效起到补盲疏忙的作用。

图11 电话亭场景覆盖效果实测值

5.4 典型室内覆盖场景测试情况

选取典型室内覆盖场景，覆盖设备为pRRU，天线挂高2.6 m，增益5 dBi。首先使用升降测试设备天线高度的方法测试各高度的功率密度。测试结果见表9。在2.5 m净高（考虑人体高度1.7 m）时辐射安全；在1 W发射功率下，辐射也安全。

表9 室内场景功率密度实测值

然后进行覆盖效果测试，测试结果见表10。

在发射功率降低至1 W的情况下，仍能保证30 m内的RSRP大于−100 dBm，覆盖效果良好，足够满足pRRU布放间距的设计要求。

6 结束语

经过以上分析和现场测试，为了有效地兼顾公众电磁辐射安全和5G网络覆盖质量，对于5G网络规划有如下主要建议。

· 高杆站建设位置，应该距离建筑物26.55 m以上。

· 低矮杆站建设位置，应该距离建筑物7.48 m以上，最小挂高3.7 m以上。

· 电话亭基站建设位置，应该距离周边高台（台阶、扶梯等）3.46 m以上；发射功率不超8 W；电话亭应采用金属作为顶，隔离基站辐射。

· 室内覆盖pRRU建设位置，在无吊顶阻挡的情况下，挂高应高于2.5 m，或者降低功率到1 W以下。

如果建筑物正对基站的墙面没有窗户、阳台等，可以不考虑间隔距离。

随着5G无线网络建设快速推进，公众对于基站辐射高度关注。合理部署基站位置，打造高效、绿色的5G网络，实现网络与环境的协调发展，造福大众。诚然，5G发展刚刚起步，新的站型会不断出现，辐射安全问题研究也需要与时俱进，在大规模组网中进一步对各类设备、各种场景进行科学的分析测试，同时确保用户良好感知和公众健康安全。