5G 基站电磁环境监测方法与实证研究

于海欢

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

2021 年全国移动通信基站总数已达996 万个，全年新建5G 基站（第五代移动通信基站）超65 万个，5G 基站的大规模建设引起了社会公众对基站周围电磁环境的持续性普遍关注。2021 年3 月实施的《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》为通信运营商落实《通信基站环境保护工作备忘录》各项要求提供了技术支撑，为切实加强电磁环境安全管理提供了依据。本文既不同于在电磁兼容实验室进行的理想环境中的测试，也异于选取代表性的基站进行的常规电磁环境监测，将排除了周围环境中的其他电磁干扰源、且具备连续布点条件的2 处5G 天线作为研究对象，提供了相对可信的5G 基站周围电磁环境空间分布规律，以便各通信运营商规范履行基站建设环保义务，关注基站周围电磁环境质量，为5G 基站的绿色健康发展创造条件。

1 5G 天线与传统天线的区别

与传统的2G/3G/4G 基站（第二、第三、第四代移动通信基站）不同，5G 基站的工作频段主要采用6GHz 以下频段（FR1），运行频率远高于2G/3G/4G网络；基站形态上由BBU（基带处理单元）和AAU（有源天线单元）组成，其中BBU 负责基带数字信号处理，AAU 是射频拉远单元（RRU）与天线一体的设备，负责将基带数字信号转为模拟信号、再调制成高频射频信号，通过PA（功率放大器）放大功率后由天线发射；引入了massive MIMO（采用更大规模数量的天线）和波束赋形等技术，建立了手机与基站之间的智能控制机制，动态调整相互之间的通话信道、发射功率等参数，使非常窄的波束能够更聚焦于用户。上述特点使得5G 基站对周围的电磁环境产生了不同于传统基站的电磁环境影响，且由于其覆盖密度较传统基站大，给电磁环境管理工作带来了新的挑战。

同时，5G 基站的天线会根据业务终端所处的位置和业务需求来进行波束赋形，发射不同能量的电磁波信号；基站运行期间天线发射功率、增益等都随时根据用户情况进行动态调整。水平面和垂直面上都有许多分量的分布情况，5G 基站电磁环境影响与传统基站大不相同，其监测方法也须区别对待。

2 5G 天线与传统天线监测方法的差别

2021 年3 月生态环境部颁布实施了《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》，明确了其替代《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》作为5G 及与其他网络制式共址的移动通信基站电磁环境监测的执行标准。

该方法在HJ972-2018 的基础上，更新了以下几点：①选用选频式电磁辐射检测仪；②单次测量时长与GB8702-2014 要求一致，须保留6min 均值及频谱图；③要求配置5G 移动终端，并标注不同的测试场景和环境；④监测布点范围不再局限于50m 范围内等。

3 典型5G 基站电磁环境监测

区别于以往5～9 选取典型基站但难以排除干扰源的电磁环境监测研究，测试位置区别于电磁兼容实验室的理想环境，选取了2 处具备水平和垂直布点条件的5G 天线，同时排除了其他同频段电磁发射源的干扰，以获得水平或垂直高度上相对连续的电磁环境监测数值的空间变化规律。

3.1 监测对象与监测设备

本次选取了两处架设高度相同的位于建筑物顶部（商业办公楼楼顶平台）的5G 天线，布点均为公众日常活动难以到达区域，以消除不可控的5G 移动终端的影响；同时，监测期间除被测扇区天线外，其余扇区及基站周边300m 覆盖范围内的其他同频段基站临时关闭。如表1 所示。

表1 5G 天线基本参数一览表

测量期间使用选频式电磁辐射监测仪和非选频式电磁辐射监测仪两种仪器，由于基站天线频率一般在800MHz～6GHz之间，站址周围电场强度的一般在0.2V/m～30V/m 之间，因此表2 中所列设备均满足测量要求。

表2 监测设备基本信息表

3.2 监测方案与方法

本次监测参照《电磁环境控制限值》（GB8702-2014）、《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》、《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》等规定的方法进行布点，并结合现场实际情况进行调整。

天线1 的各测点与天线处于同一水平面，在垂直半功率角范围内间隔10m布点，测量距离天线40m～100m的功率密度。天线2 利用高空作业车在天线的水平半功率角范围内的50m距离上间隔10m 水平布点；垂直高度上，由于受垂直半功率角影响较大，按照3m 等间距布点，测量2m～26m 的功率密度。

3.3 监测场景

本次共设置2 种场景：第一种场景区分是否引入5G 移动终端；第二种场景区分是否使用选频测试仪器。

3.4 监测结果

引入5G 终端进行波束引导，并将5G 终端放置于不同监测仪器探头的相邻处进行数据灌包，不同设备的移动终端引入前后对比见表3。在距离天线40m 位置处，5G 天线阵子全部激活发射时，射频选频场强仪与非选频场强仪的测量数据相差不大；但引入5G 移动终端进行波束引导后，二者的测量数据差异明显。

表3 5G 移动终端的引入对5G 基站周围电磁环境的影响（单位：W/m2）

在该5G 天线的水平和垂直主射方向内，同时引入6 台移动终端进行视频交互的应用场景下，不同仪器不同水平距离的电磁环境检测值，结果见表4。可以看出，无论选用射频选频场强仪还是非选频场强仪，都能得到电场强度随距离衰减的显著趋势，且随着距离的增大，二者电场强度的数据差异逐渐缩小；距离该5G 天线约60m 范围时，测点数据方能满足GB8702 要求，而非与传统天线一样，影响范围基本局限于50m 范围内。

表4 不同测量仪器对引入5G 移动终端时基站周围电磁环境（单位：W/m2）

以5G 天线2 为中心，水平50m 距离上取4 个点，垂直空间上间隔3m 布点直至高于天线所在水平面，监测点位测值见表5。在引入一个5G 移动终端的场景中，水平50m 处各个垂直高差上的测点数值呈现明显的随距离而衰减的趋势，测点与天线的垂直高差越小，其测点数值越大。

表5 不同垂直高度上引入5G 移动终端时基站周围电磁环境（单位：W/m2）

3.5 判断依据及结论

我国结合IEEE（电气与电子工程师协会）和ICNIRP（国际非电离辐射防护委员会）等机构研究成果，制定了电磁环境领域的基础标准《电磁环境控制限值》，其中给出了电磁环境中控制公众曝露的电场、磁场、电磁场场量参数任意连续6分钟内的方均根值的限值要求。

理想测试环境下，通过对上述2 个天线电磁环境的监测可以得出如下结论：

天线阵子全部激活发射时，采用符合量程要求的射频选频场强仪或非选频场强仪，对5G 基站周围电磁环境的测量结果的影响不大，但引入5G 终端进行波束引导时，推荐选用射频选频场强仪；

5G 天线周围电磁环境功率密度测值在水平方向或垂直方向上都存在随距离而衰减的趋势，这一点与传统基站天线相一致；但5G 天线周围电磁环境功率密度在水平方向上随距离而衰减的趋势相对垂直方向衰减趋势不明显，垂直方向上的距离变化对电磁环境功率密度的影响更大；

随着水平测量距离的增加，不同类型检测设备对5G 天线功率密度测值的影响逐渐变小；

相同测点在不同应用场景下的电磁环境功率密度测值差异较大；

当引入较多的移动终端、且同一位置同一时间进行视频交互的极端情境下，在5G 天线的主射方向上，50m 范围内可能存在超出标准限值的情况。

4 建站思路与建议

为营造5G 基站周围良好的电磁环境，提出如下基站建站思路与建议：

人员活动密集区域，建议宏站和微站结合，契合5G 密集组网高容量需求的同时，满足5G 基站周围电磁环境管理要求；

规范选用符合HJ1151 参数要求的射频选频场强仪开展5G基站及与其共址基站的电磁环境测量；

5G 基站周围环境的不同点位的测量结果可能有较大差异，当5G 基站附近存在公众可能长时间活动的环境保护目标时，应在环境保护目标与5G 天线之间的传输通道上布点检测；

应结合基站所处环境，尽量获取视频交互等应用场景下的电磁环境功率密度测量数值；当公众可达区域存在不达标情况时，与调整方位角、降低发射功率等相比，可优先调整天线倾角以确保测点电磁环境功率密度达标；

5G 基站选站时，应尽量避免天线50m 范围内有人员密集活动区域，防止公众到达上述区域受到不必要的电磁环境影响。

5 结束语

随着5G 用户规模的不断扩大，5G 基站的布局一定程度上对维护良好的电磁环境带来挑战，通信运营商在推动移动通信发展、加快网络强国建设的同时，须严格落实《通信基站环境保护工作备忘录》各项要求，将环境保护管理纳入企业经营管理全过程，科学提升基站周围电磁环境安全水平，强化移动通信电磁防护科普宣传，保障公众环境权益的实现。