5G移动通信基站电磁辐射监测方法研究

谢平展 刘 寒 李成栋

（广东智环创新环境科技有限公司，广东 广州 510045）

随着中央政治局常务委员会发布“新型基础设施建设”的发展战略，5G 基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能以及工业互联网等7 个领域进入快速发展新阶段[1]。其中，5G 基站建设不仅是“新基建”的首位，还是其他领域发展的基础设施和必要条件。大规模的5G 基站在赋能各行各业的同时，也可能会使周围环境受到电磁辐射的影响。人民群众针对基站辐射的信访投诉也与日俱增，甚至出现纠纷、冲突和逼迁等情况[2]。为妥善处理人民群众的关切，营造和谐的社会环境，必须准确掌握5G 基站的电磁辐射水平，并确保满足国家标准限值[3]。生态环境部于2020 年12 月发布《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》（HJ 1151—2020），指导5G 基站的监测工作，但是其中涉及多种应用场景和多种终端距离的内容，可能导致监测结果的偏离。该文在大量监测实践和经验累积的基础上，结合理论公式预测和数据验证分析的方式，对5G监测工作提出相应的建议，也为生态环境管理部门、基站建设运营商以及进行5G 基站监测工作的同行提供参考。

1 Massive MIMO 技术对5G 基站监测的影响

5G 基站采用MassiveMIMO 技术来提高系统容量、频谱利用率和信号质量。Massive MIMO 的关键技术有波束赋形、空分复用等。2010 年，贝尔实验室提出了Massive MIMO 技术。2015 年，ITU 将Massive MIMO 确立为“IMT-2010”（5G）的关键技术之一。Massive MIMO 通过使用大量天线阵子构成物理天线阵列，提高波形灵活性，满足对覆盖灵活性和增益要求高的场景。采用Massive MIMO 技术可以使信号以水平方向、垂直方向全维度发射，通过空域、时域、频域和极化域等将信号电磁波以束状形式辐射，以提升频谱和利用效率，所以MassiveMIMO 被称为3D-MIMO[4]。得益于Massive MIMO 技术在5G 基站的应用，电磁波可定向投放到终端用户。5G 基站周围的电磁环境变化频繁，场强分布情况复杂。为了准确获取5G 基站的电磁辐射监测值，监测过程中需要将应用终端与基站建立连接，同时，应用终端与仪器探头的距离也会直接影响监测结果。

2 监测设备：选频式电磁辐射监测仪

根据《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》（HJ 1151—2020）的要求，5G 基站的监测工作必须采用选频式电磁辐射监测仪[5]。该次测试采用由北京森馥科技股份有限公司生产的电磁辐射选频分析仪，主机型号为OS-4P，探头型号为SRF-06，测量电场0.001 V/m～300 V/m，频率为30MHz～6GHz。该设备经华南国家计量测试中心/广东省计量科学研究院校准。选频式电磁辐射监测仪电性能基本要求见表1，选频式电磁辐射监测仪监测仪器参数和检定情况见表2。

表1 选频式电磁辐射监测仪电性能基本要求

表2 选频式电磁辐射监测仪监测仪器参数和检定情况

3 针对应用场景的数据验证

目前，5G 基站的电磁辐射监测的执行标准为《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》（HJ 1151—2020），其中“2.4 节 应用场景”中5G 移动通信应用场景包括增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠与低延时通信（uRLLC）和大规模机器类通信（mMTC），如数据传输、视频交互、游戏娱乐、虚拟购物、智慧医疗、工业应用和车联网等场景。

数据传输是指通过一条或者多条数据链路将数据从数据源传输到数据终端，实现点与点之间的信息传输与交换。与4G 基站相比，5G 基站的数据传输可提高数据传输的实时性和可靠性。视频交互是指借由5G 网络传输速度的提升以及成熟的多媒体技术，融入各种技术手段产生的一种新型视频体验。游戏娱乐则要求高带宽、低延时的网络特性。和4G 相比，5G 可以提供数十倍的带宽，尤其是高下行带宽可以将更高质量的游戏画面输送到客户端设备，给用户带来完美的实时体验。同时，5G 网络的切片技术又可以保证极低的延迟。虚拟购物是基于5G 大带宽、低延时的特性，结合VR 视频捕捉技术，对摄入的视频在云端进行渲染，并通过5G 云专线和终端进行快速交互，进而为消费者提供一种快速、真实和可互动的购物体验。智慧医疗是指结合5G技术，利用有限的人力资源和医疗仪器设备，发挥医院的医疗技术优势，为患者的诊断、急救和护理等应用场景提供实时、远程、高移动性和数字化的医疗服务，并促进医疗信息化上升到智慧医疗，进一步提升医疗效率和诊断水平，提高医院的运营效率，降低医院的运营成本，促进医疗资源共享下沉等。工业应用是指将5G 网络应用于包括但不限于实时控制、视觉检测、数字孪生、智能运维、车间物流、远程控制以及AR 远程指导等工业场景，满足高实时、高安全、高可靠的通信要求。车联网是指通过汇集车、路、云和人4 个要素的信息，并且在详尽、细致的分析之后，在统一协议下实现人、车、路、网和云之间的数据互通互享，最终实现智能交通、智能服务以及智能驾驶等功能。

为了比较不同应用场景对监测结果的影响，由测试人员使用电磁辐射选频分析仪（仪器型号为OS-4P/SRF-06）对5G 基站进行比对测试。考虑比对测试工作的可操作性，该次测试选取游戏娱乐、视频交互、数据传输3 种应用场景。目前，我国各运营商建设的5G 基站按照频率范围可分为3 GHz 以下和3 GHz 以上。为了获取更全面的比对数据，该次测试选取了3 GHz 以下、3 GHz 以上的5G 基站分别进行实测。

应用场景为游戏娱乐持续6 min、快速刷抖音6 min（0.5 s/次）、数据传输（与刷抖音的流量保持一致）。快速刷抖音是为了在6 min 保持持续的流量，尽可能在6 min 产生更高的总流量。数据传输与刷抖音保持一致的流量有助于保证数据的可比性[6]。

3.1 3GHz 以下的5G 基站的测试结果

终端与探头的距离为1m，终端的型号为HONOR30S，测量点位与天线的高差为2m，频率为2515MHz～2675MHz，测量点位与天线的水平距离分别为10m、30m 和50m，测量点位分别在主射方向以及偏离主射方向30°。采用不同应用场景的比对测试结果（3GHz 以下）见表3。

表3 采用不同应用场景的比对测试结果（3 GHz 以下）

3.2 3GHz 以上地面站的测试结果

终端与探头的距离为1m，终端的型号为Mi10LiteZoom，测量点位与天线的高差为4m，频率为3400MHz～3500MHz，测量点位与天线的水平距离分别为10m、50m 和100m，测量点位分别在主射方向以及偏离主射方向30°。采用不同应用场景的比对测试结果（3GHz 以上）见表4。

表4 采用不同应用场景的比对测试结果（3 GHz 以上）

4 针对终端距离的数据验证

《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》（HJ 1151—2020）第4.5 节要求“监测时，监测仪器探头（天线）置于监测仪器支架上，探头（天线）尖端与操作人员躯干之间距离不少于0.5 m，并与5G 终端设备保持在1 m 至3 m 范围内；避免或尽量减少周边偶发的其他电磁辐射源的干扰及监测仪器支架泄露电流等影响。”

4.1 3GHz 以下的5G 基站的测试结果

为了比较探头与终端的距离对监测结果的影响，由测试人员使用电磁辐射选频分析仪（仪器型号为OS-4P/SRF-06）对5G 基站进行比对测试（探头终端距离分别设置为1m、2m 和3m）。终端的型号为HONOR30S，测量点位与天线的高差为2m，频率为2515MHz～2675MHz，应用场景为数据传输，总流量为5GB，测量点位与天线的水平距离分别为10m、50m，测量点位分别在主射方向以及偏离主射方向30°。采用不同应用场景的比对测试结果（3GHz 以下）见表5。

表5 采用不同探头终端距离的比对测试结果（3 GHz 以下）

4.2 3GHz 以上的5G 基站的测试结果

为了比较探头与终端的距离对监测结果的影响，由测试人员使用电磁辐射选频分析仪（仪器型号为OS-4P/SRF-06）对5G 基站进行比对测试（探头终端距离分别设置为1m、2m 和3m）。终端的型号为Mi10LiteZoom，测量点位与天线的高差为4 m，频率为3 400 MHz～3 500 MHz，应用场景为数据传输，总流量为5 GB，测量点位与天线的水平距离分别为10 m、50 m，测量点位分别在主射方向以及偏离主射方向30°。采用不同应用场景的比对测试结果（3 GHz 以上）见表6。

表6 采用不同探头终端距离的比对测试结果（3 GHz 以上）

5 结论

该文根据《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》（HJ 1151—2020）的要求，针对不同的应用场景、探头和终端的不同距离，以控制变量的方式进行比对测试。通过分析测试数据，得出不同情况下的变化规律，为后续的5G 基站监测工作提出了建议，具体的结论如下：1）根据表3、表4 的测试数据可知，不同的应用场景会对测试结果产生较大影响。主要影响因素包括在6 min 内使用的总流量、最高网速以及建立连接的时间。首先，游戏娱乐、快速刷抖音与数据传输的最高网速基本一致。其次，游戏娱乐使用的总流量为0.187 GB～0.36 GB，快速刷抖音与数据传输使用的总流量为1.19 GB～2.08 GB，快速刷抖音与数据传输使用的总流量远大于游戏娱乐的总流量。另外，数据传输虽然与刷抖音的流量保持一致，但是由于5G 的传输速度快，因此终端与基站建立连接的时间大约只有1 min，而游戏娱乐与快速刷抖音在6 min 内始终与基站建立连接。该次测试的总流量为0.187 GB～2.080 GB，由于总流量越高，测量值也越高，因此为了测到5G 基站电磁环境影响的最大值，应确保终端与基站有足够长的连接时间以及总数据流量。为了提高5G 基站监测的准确性、复现性和可操作性，建议选择统一的应用场景：数据传输，总数据流量控制在3 GB。2）根据表5 和表6 的测试数据可知，在其他条件相同的情况下，探头与终端距离为1 m 的测试结果都略大于距离2m、3m的测试结果。主要原因是5G 基站采用大规模MIMO 天线技术和动态波束赋形技术，可以将能量定向发射到终端位置，能量效率更高。因此，为了尽可能测到5G 基站周围电磁环境水平的最大值，并同时考虑实际监测过程中的可操作性，建议把探头与应用终端的距离设置为1 m。3）在实际监测中，影响测试结果的因素很多，例如环境特征（基站周围建筑物分布情况、电磁波的反射）、监测条件、基站的架设高度、架设方式、下倾角以及天线增益等。鉴于日常监测结果的变化更多，和该次测试的结果可能不尽相同，该文将通过累积更多的实践数据，为后续的5G 基站监测工作提供更多的经验和依据。