5G 移动通信基站电磁辐射监测与评价

邬 东

（核工业二0 八大队，内蒙古 包头 014010）

0 引言

5G作为新基建领域的抓手，已成为驱动行业数据流动和基础设施体系升级的关键性支撑技术，“十四五”以来5G发展进入规模化应用转化期，行业应用正以超乎预期的速度拓展商用场景。城市内的5G移动通信基站也因此分布越来越密集，民众对基站电磁辐射环境安全的关注也日益密切[1,2]。

5G基站中大规模MIMO和天线3D波束赋形等关键技术的应用，使得5G基站天线的实际发射功率随着覆盖范围内终端用户数时刻发生变化，这个特点决定了5G基站电磁辐射的研究与传统的基站有本质区别[3-5]。另外，由于运营商考虑节约建站成本等因素，5G基站的建设为非独立组网方式，并且存在多站共址现象，造成5G基站周围的电磁环境分析更加复杂[6]。了解5G通信基站电磁辐射对环境的影响特点，对5G通信基站电磁辐射水平定量监测和评价、管理极为必要[7]。

本文通过对不同应用场景以及用户不同的分布情况下，选取典型5G移动通信基站的电磁辐射环境进行了实测分析，有助于公众对于5G移动通信基站在日常工况下的电磁辐射水平有基本了解，为监测机构更加真实反应5G基站电磁辐射水平，管理部门更加科学的实施管理提供借鉴和参考。

1 监测设备与方法

电磁辐射强度的测量可理解为对所形成的窄波进行测量，窄波的形成受网络应用场景(如数据传输、视频交互、虚拟购物等)，路径损耗等因素影响。故在5G基站电磁辐射监测时应着重考虑在用户终端方向布点监测，本次监测根据弗林斯公式的特点来进行布点和理论测值计算，见式（1）。采用优化布点原则使轴线上的点位都具有代表性，宏站应按10、20、40、80 m……的规律在基站和终端之间进行布点较合适，使电磁辐射功率密度测值随着距离的平方呈指数减小[8]。

式中：Pd—基站平均辐射功率密度（W/m2）；P—基站发射机功率（W）；G—天线增益；r—测量位置与基站天线距离（m）。

1.1 监测设备

使用北京森馥科技股份有限公司生产的OS-4P选频式电磁辐射监测仪，主机：OS-4P，探头：三轴全向天线，天线类型为电场、偶极子天线，频率范围为30 MHz~6 GHz，完整覆盖5G基站电磁测量需求，测量范围为2.6×10-9~238 W/m2（1 mV/m~300 V/m），测量精度1 mV/m；选频式电磁辐射监测仪经中国信通院校准合格并处于校准期内（2022年6月15日—2023年6月14日），参加中国泰尔实验室间能力验证（仪器比对）结果为合格。

1.2 监测方法

本次监测与评价依据《HJ 1151—20205G移动通信基站电磁辐射监测方法(试行)》[9]，《HJ/T 10.2—1996辐射环境保护管理导则:电磁辐射监测仪器和方法》[10]和《GB 8702—2014电磁环境控制限值》[11]。

选择的测量时间为11:00—14:00和18:00—23:00城市电磁辐射的高峰期，在无雨雪大雾等复杂气候条件下监测，重复测量间隔时间不小于1 h，监测范围取基站架设高度4倍的距离作为最大监测范围。使用6 min测量值的平均值作为5G移动通信基站电磁辐射环境影响的监测值，监测时选频仪架设在专用的三脚架上，保持天线距地面1.7 m，5G终端处于正常工作状态与被测5G移动通信基站建立连接，本次测量使用mate40作为单用户终端，如图1所示。根据张保增[1]等人的研究及现场测试经验设置仪器参数为：频率范围700 MHz~5 GHz，带宽RWB：300 KHz，参考幅度为自动，噪声抑制比3 dB。

图1 单用户情况下5G基站测量示意图

为了多方面、多角度了解5G移动通信基站电磁辐射环境水平，选择的5G测试基站发射频率范围不同，从属运营商不同，基站架设高度也不相同。在福州市选取了3个5G宏站作为测试基站，选择天线主瓣近场区测值较大（且主瓣方向上无明显遮挡物）方向为测试方向，选择测试的基站周围200 m无其他5G宏站、高压输变电线路等，其基本信息见表1。

表1 5G测试基站基本信息

2 结果与讨论

2.1 终端空间位置对5G基站电磁辐射水平的影响

在该测试情形下，终端架设高度为1.2 m，空间位置1架设在选频仪正前方1 m，即基站与选频仪之间，空间位置2架设在选频仪左侧方1 m，空间位置3架设在选频仪正后方1 m。通过传输相同大小的数据流量，测试终端空间位置对5G基站电磁辐射水平测值的影响。

对三个基站的测试结果表明（表2）：相同水平距离时的监测值大小总体为，位置3＞位置2＞位置1，相同空间位置下基站架设高度不同也会导致测试结果有显著差异。这一结果的原因可能是：终端在位置1、2时，终端与基站之间的主电磁波束未被选频仪探头完整接收到。因而建议在日常基站监测过程中，测试终端置于基站与选频测试仪器水平连线后端，更有利于5G基站电磁辐射水平测试结果的真实性和准确性。

表2 终端空间位置对基站电磁辐射水平的影响

2.2 不同应用场景对5G基站电磁辐射水平的影响

鉴于测试的可行性，选择视频交互、游戏娱乐、虚拟购物和数据传输四种典型应用场景作为5G基站电磁辐射水平的对比测试分析。

不同应用场景下的电磁辐射水平测试结果（图2）为：数据传输＞游戏娱乐＞虚拟购物/视频交互。数据传输模式下的功率密度远大于后三者，但也远小于40 μw/cm2的电磁环境控制限值，其原因是数据传输状态下网速一般为10~100 Mb/s，能较强的诱发基站发射电磁波束，使基站由无业务时“广播”状态下的低发射功率得到转变，以一个通过提高发射功率来满足终端的流量需求状态。视频交互、游戏娱乐和虚拟购物状态下网速一般为200~800 kb/s，对基站电磁波束诱发能力弱，基站运行功率增量小，最终测得的功率密度小。

图2 不同应用场景下的电磁辐射水平

2.3 数据传输时长对5G基站电磁辐射水平的影响

测试时长是评估5G基站电磁辐射水平的重要参数，由于5G基站的发射功率与终端数据传输量、有效的连接时长密切相关，测试时间越短，受终端与基站连接稳定性的影响越大，测试结果波动也越大。测试时间越长，对于偶发的高电磁波束和通信中缺失的电磁波束都通过方均根检波方式来计算积分结果，避免了测值大幅度波动，测试结果更稳定，更能反映出基站实际工况下的电磁辐射水平。

测试结果（图3）表明：功率密度测值大小与流量的传输时长成正比，即在数据传输场景下，固定位置终端与基站的数据传输时间越长传输文件量越大，电磁辐射水平越高，随着传输时间的延长电磁辐射水平趋于稳定。法国国家频率管理局发布的《法国5G基站电磁辐射测试报告》也有类似的测试结果[12]。

图3 数据传输时长对基站电磁辐射水平的影响

2.4 断面距离对5G基站电磁辐射水平的影响

基站电磁波束在实际场景中的传播非常复杂，极易受到天气、周围环境和建筑物等的影响，即使不断优化理论计算模型，仍很难准确衡量不同基站在周围环境中的电磁辐射水平。因而研究基站在不同断面距离上的电磁辐射水平，是表征基站在周围环境中辐射水平的重要方法。

因本次监测重点关注基站在水平距离上的电磁辐射衰减，选取的基站主射方向上50 m距离内无登高面，在测试范围内垂直方向上无法合理布点，故未进行等水平距离不同垂直高度上布点监测。根据笔者日常基站监测工作中获得的数据来看，在垂直断面上主射天线下倾角延线与建筑物交点高度的电磁辐射强度最大，其余测点随高度的增高或降低电磁辐射强度减弱，刘英华[13]相关监测也有类似的结果。

数据传输模式（6GB）下测试结果（图4）表明：电磁辐射监测结果在水平方向上呈先上升再下降的趋势，测试值在20 m时达到最大，远场区测点的水平距离相同时基站架设高度越高功率密度测值越小。这可能是因为受基站天线下倾角的影响，信号波束在水平方向的强度大于垂直方向上的信号强度（图1），两个方向信号波束共同作用后出现该结果，且架设高度一定时，远场区测点的水平距离与基站架设高度接近时信号波束越强。在理论计算情况下（式1，图4内图）不同水平距离的测值同实际测值有很大差异，这是由于理论公式是按基站额定功率计算的，而实际情况下只有单个测试终端和基站业务数据传输，基站实际功率远低于标称功率。此外，理论公式计算未考虑电磁波束在实际环境中的损耗、散射、反射等，故理论计算值和实际测值差距巨大。

图4 断面距离对基站电磁辐射水平的影响

3 结论

（1）单个终端在选频仪水平距离1 m的不同空间位置对测试结果有一定影响，测试终端置于基站与选频仪水平连线后端更有利于5G基站电磁辐射水平测试结果的真实性和准确性。

（2）应用场景不同会造成测试结果的不同，应用场景选择数据传输且监测时保证测试终端和基站6 min数据的稳定连接能更好反映5G基站在有业务时的电磁辐射水平。

（3）当垂直距离一定时，远场区测点的水平距离与基站架设高度接近时测值较大。理论公式计算得出的功率密度同实际测值差距巨大，不能直接作为衡量5G基站电磁辐射水平的依据。