5G基站电磁辐射预测及防护探讨

陈永梅 吴沛林 王铖

安徽省合肥生态环境监测中心 安徽 合肥 230000

引言

近年来，我国在大力推广应用5G移动通信技术的过程中，配套建设了5G基站。根据现阶段公布的数据看，基站建设总量已经达到70%以上，可以为智慧城市、远程医疗、智能家居、工业控制等各领域提供通信支持。但是，在此类基站建设及投入运行后，受到物理属性的限定，存在相应的电磁辐射，并通过站间距、波束赋形等对使用中的天线，以及应用场景中的环境产生相应影响。因而在新时期各行业高质量发展阶段，需要持续加强该方面的研讨，促进此类基站的安全建设与使用。

1 5G基站电磁辐射标准与监测概述

1.1 标准

电磁辐射主要是变化的电场与变电的磁场，借助相互作用方式引起的能量流传播，也被表述为能量通过电磁波的形式从源发射到空间产生的物理现象。其来源包括两个方面[1]：①人工电磁辐射源；②天然电磁辐射源。5G基站电磁辐射属于前者，由于此类基站电磁辐射会对环境与人体造成污染与影响，因此，在基站建设过程中预设了多项标准，要求将其频率范围控制在300GHz～1Hz之间（如表1）。

表1 基站电磁辐射标准

1.2 监测

在生态文明思想牵引下，基站项目中增加了环境工程，主要通过环境影响评价与项目竣工环保验收两大方法进行落实。从基站辐射检测中的监测情况看，监测点设置时通常包括了气象条件、环境条件、测试时间、敏感目标，监测设备等。具体的监测中，要在确定发射频率后，对其开展至少5次连续监测，并将监测时间控制在15s/次以上，然后记录监测数据并划分其辐射范围等。

2 5G基站电磁辐射的影响分析

近年来，5G标准演进较快，在5G基站工程中，站间距、波速赋形、发射通道数、多进多出技术等各个方面的技术指标出现了一些变化。同时，应用4.9GHz频段后，5G网络子帧上下行配置与之前有所差异[2]。在此类因素变化后会对基站电磁辐射水平产生相应影响，因此，在当前阶段需要对其影响做出分析，并结合此类分析结果，为后续预测与防护提供数据相应支持。分述如下：

2.1 以站间距为例

此类基站应用的频率较高，需要设置高密站距，也存在高穿损情况。目前，宏基站中以现有站址为基础建设共址，5G站间距与4G站间距无显著差异。新时期，随着立体式网络架构部署工作的实施，微站设备激增，此时需要缩小站间距并造成基站输出功率下降。从站间距对电磁辐射的影响情况看，与4G时代基本相同。

2.2 以波束赋形为例

多进多出技术是5G移动通信工程中比较突出的关键技术，由于其具有空口技术特征，在应用中以大阵列天线的波束赋形技术为硬件基础，因而应用64TR射频设备时，波的叠加与干涉会产生64个原子窄波束。在控制波束功率与方向时，需要借助智能天线完成，此时必然会产生对天线的辐射。

2.3 以发射功端功率为例

目前，三大运营商及社会化企业，在5G室外基站中仍以4G/5G共模设备应用为主。当使用64/32通道设备时，其中的额定功率为240W、320W。在2.6GHz频段以上的带宽（160MHz），通常只占用前100MHz，其余用于新天线3D载波的反向开通。因而，实际上的总发射功率处于协同分配状态，在这种条件下，5G基站应用不同功率型号设备后，需要区分反开与未反开4G的情况[3]。①未反开时，处于正常状态。通常情况下，5G基站能够配置100MHz带宽、200W功率。②反开后，其基站发射功率会发生相应的变化。以64通道射频设备为例（原本配置100MHz带宽、240W功率）：①当反向开通1个新天线3D载波时，4G配置功率为40W，5G为200W。②当反向开通2个新天线3D载波时，4G基站配置40Hz带宽、80W功率，这时5G基站配置的带宽不变，其发射功率会缩减到160W。

2.4 以子帧上下行配置为例

5G基站带占用100MHz带宽，在时域上下行配置方面，粒度选择OFDM符号，子载波间隔为30kHz，这时任意子帧中的时隙数量为2，1个时隙中的粒度为14个OFDM符号。在2.6GHz与4.9GHz频段下，选择的帧结构有所差异，其中的上下行符号占比也有所不同。以2.6GHz频段为例，应用5m单周期帧结构时的上下行时隙占比为7DL：2UL，S时隙（特殊时隙）配置为6：4：4；下行符号占比为104：140。以4.9GHz频段为例，以2.5m单周期帧结构或双周期帧结构均可，在双周期方面的上下行符号占比为90∶140。

3 5G基站电磁辐射预测方法

首先，结合上述影响分析可以认识到，此类基站电磁辐射会受到发射功率的较大影响，5G基站中占用了100MHz带宽。假定：①额定发射功率为；②子帧配置下行符号占比为；③下行发射流数为c。此时，可以得到发射平均功率P的功式为：

第三，天线归一化方向性函数，会对电磁辐射值（天线辐射场空间内任意点）产生影响，按照均匀直线方向阵函数对其进行拟合时，容易发生偏差，而且拟合得到的天线方向图并不能符合实际工程情况。因此，在现阶段通常会根据供应商提供的数据通过两个夹角，查询相关数据，从而确保其函数值的精准性，满足工程可行性应用条件。以某类型的5G天线为例，供应商提供的天线方向性衰减表如表2：

表2 某类型5G天线方向性衰减表

第四，按照发射端天线远场功率密度公式（现行《辐射环保管理导则电磁辐射监测仪器和方法》），忽略天线反射波影响后，假定：①观测点与天线间的距离为r；②r位于5G基站电磁场功率密度位置，假定该功率密度为。前者单位为m，后者单位为W/㎡。此时，可以得到公式：

第五，在公式（3）中代入公式（1）与（2），此时，基站的电磁辐射功率与电磁场功率密度趋于一致，可以用公式表述为：

由此可知，在成功预测5G基站电磁辐射功率时，可能得到对电磁辐射的防护距离。因此，在实际上的5G基站电磁辐射安全防护过程中，只需要设置相应的指标便可以较好地达到对其有效防护，从而为基站建设提供相应的数据支持。

4 5G基站电站辐射防护分析

首先，按照基站辐射标准，在任意基站借助天线发射电磁波的过程中，其电磁辐射防护限值具有明确规定。同时，电磁场公众暴露控制限值也十分明确[4]。例如：①在任意选取的6min时间间隔中，基站选择的频率为2.6GHz，这时的该基站电磁辐射等效平面波功率密度平均值不能超过0.08W/㎡。②当基站选择的频率为4.9GHz时，其平均值不超过0.13W/㎡。假定值的限定条件为这两个频段下任意基站个个频率，那么将该值作为电磁辐射防护距离公式（5）中的确定值，就可以得到相对精准的数据。

其次，将求得的r值作为参考值后，天线增益最大方向为天线的辐射方向，按照定义下的天线归一化方向条件看，其最大值等于1。那么，根据5G基站电磁辐射防护距离，参考5G基站电磁辐射防护距离（天线辐射距离）建议值（如表3），实际上，可以合理地选择安全防护距离。

表3 5G基站天线轴向距离建议值

续表

第三，如果遇到非轴向时，出现了敏感值，这时应结合已知方向中的两个夹角，结合供应商提供的天线衰减表，计算其非轴向条件下的防护距离值[5]。由于该值不会超过轴向防护距离，因而能够利用给定条件合理的计算并将其与建议值进行比较后加以确定。

5 结束语

总之，在新时期各行业应用5G移动通信技术的过程中，需要加强对其基站电磁辐射影响情况的研讨。结合以上初步分析可以看出，此类基站电磁辐射标准十分明确，其中的监测方法也比较安全可靠。但是在5G基站建设过程中使用的频段有所增加，配套设备的功率也随之增加，此时站间距、波束赋形、总发射功率、子帧上下行配置均有所变化，在这种情况下，应充分结合其影响因素科学的选择预测方法，并做好防护指标设置，以此促进基站建设与电磁辐射监测、预测、防护一体化，为我国各行业应用该项技术添砖加瓦。