5G基站電磁輻射預測方法及防護指標研究

曹 祿

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

隨著5G標準演進，中國移動5G工程使用了多種類型的無線射頻端設備，其在發射通道數、功率參數、Massive MIMO天線能力以及信號波束賦形特性等技術指標上較往期設備有較大變化。全面實施4/5G帶寬和功率協同機制，引入4.9 GHz頻段后，不同頻段的5G網絡在子幀上下行配置方面也有區別，且新天線3D方向圖變化多樣。以上因素對基站的電磁輻射水平均會產生較大影響，使得5G基站電磁輻射預測方法和防護指標成為急需研究解決的問題。

1 5G基站發射端功率影響因素分析

1.1 設備類型及4/5G功率協同的影響

中國移動5G室外基站主要使用64/32通道的AAU或8通道的RRU，均為4/5G共模設備。其中，64通道設備滿配額定功率可選240 W或320 W，32/8通道設備滿配額定功率均為320 W。

對于2.6 GHz頻段上的160 MHz帶寬，目前規定5G NR只占用前100 MHz，后60 MHz根據需求可供反向開通4G 3D-MIMO，因此總發射功率需在4/5G之間協同分配，如圖1所示。

圖1 4/5G功率協同分配

常規情況下，各類型設備在5G 100 MHz帶寬上均能配置200 W功率，但當使用240 W的64通道射頻設備時，在4G容量需求較大且需優先保障的情況下，最多可反向開通2個3D-MIMO載波，給4G分配40 MHz帶寬和80 W的發射功率，此時5G 100 MHz帶寬最大只能配置160 W功率。可見，當5G基站使用不同功率型號的射頻設備時，受反開4G的影響，基站發射機平均發射功率將有所不同。

1.2 子幀上下行配置的影響

5G NR在時域的上下行配置以OFDM符號為粒度，現網中物理層選擇30 kHz的子載波間隔，此時每個子幀含2個時隙，每個時隙包含14個OFDM符號。

在2.6 GHz頻段，NR使用5 ms單周期幀結構，時隙配置為DDDSUUDDDD，即上下行時隙占比為7DL:2UL，特殊時隙（S）配置為6:4:4。2.6GHz NR 5 ms單周期幀結構的時隙格式如圖2，下行符號占比為 (7×14+6):(10×14)=104:140。在 4.9 GHz頻段，NR可使用2.5 ms雙周期和2.5 ms單周期幀結構，其中2.5 ms雙周期的上下行符號占比為90:140。

圖2 2.6GHz NR 5 ms單周期幀結構的時隙格式

在一段統計時間內，5G基站一部分時間用于發射，一部分時間用于接收，因此發射機平均功率需考慮下行符號占比，僅統計下行傳輸時發射的功率。

1.3 多流發射的影響

5G采用Massive MIMO技術，可實現多用戶多流的波束賦形發射。中國移動5G網絡64/32/8通道設備分別支持NR側每小區下行16/8/4流。在極限情況下，每流都有用戶，在不考慮功率分配和功率控制算法影響的前提下，理想情況基站總功率在多流之間平均分配。以16流為例，若基站總發射功率為P，此時每流功率的中值為（P-12）。

1.4 Massive MIMO天線增益的影響

當前主流的64/32/8TR 5G新天線結構如圖3所示。因使用Massive MIMO天線，5G天線波束賦形能力較傳統天線強很多，且5G的廣播波束和業務波束都有賦形，所以評估5G天線總增益時要綜合考慮天線本身陣子功放增益和波束賦形增益等。

圖3 5G新天線陣元結構圖

5G天線本身的增益包括陣元增益和每通道陣子功放增益等。對64TR的5G天線，業務信道波束賦形可實現水平8波束×垂直4波束，其波束賦形增益為水平與垂直賦形增益之和，即10×lg8+10×lg4=15.05，其他天線同理計算。

2 5G電磁輻射預測方法

根據上述分析，考慮影響5G基站發射端功率的因素，可將5G基站發射機平均功率P表述為：

定義天線歸一化方向性函數F(φ,θ)∈ [0,1] 代表天線在某一方向上的增益與最大增益值的比值，φ和θ分別為預測點與天線軸向在水平和垂直方向的夾角。5G天線發射端總增益G（倍數）可表達為：

式中，Ga表示天線（陣元及功放）增益，單位為dB；Gb表示波束賦形增益，單位為dB；L表示饋線接頭損耗，單位為dB。

天線輻射場空間內任意點的電磁輻射值，受天線歸一化方向性函數F(φ,θ)影響[1]。利用均勻直線方向陣函數擬合獲取F(φ,θ)的方法在實際工程應用中操作難度過大，且擬合出的天線方向圖與實際存在偏差[2-4]。考慮到目前天線廠商已能夠提供與天線3D方向圖相對應的天線方向性衰減表（例如表1），因此實際工程中通過φ和θ查天線方向性衰減表獲取F(φ,θ)值更加精準和可行。

表1 某款5G天線方向性衰減表

根據《輻射環境保護管理導則電磁輻射監測儀器和方法》中發射端天線的遠場功率密度公式[5]。不考慮天線反射波的影響，當觀測點到天線間的距離為r（單位：m）時，其位置處的基站電磁場功率密度Pb為（單位：W/m2）：

將式（1）和式（2）代入式（3），得到5G基站電磁輻射預測公式：

當限定功率密度值Pd時，5G基站電磁輻射防護距離為：

3 5G電磁輻射安全防護指標建議

根據相關標準中對電磁場公眾暴露控制限值和對單個項目通過天線發射電磁波的電磁輻射防護限值的規定，在任意連續6 min內，5G項目對于單個2.6 GHz頻率基站電磁輻射等效平面波功率密度平均值應小于0.08 W/m2，對于單個4.9 GHz頻率基站電磁輻射等效平面波功率密度平均值應小于0.13 W/m2，將該值作為Pd代入式（5），并根據各項參數可求得不同頻段、設備類型以及技術參數下5G基站的電磁輻射防護距離建議值[6,7]。通常天線的軸向方向（F(φ,θ)=1）是天線增益最大的方向，天線軸向的5G基站電磁防護距離建議值可參見表2。當敏感點位于非軸向時，可在已知該方向的水平夾角φ和垂直夾角θ后，通過方向性函數F(φ,θ)的取值求得該方向的防護距離值，其不會大于軸向防護距離。

表2 5G基站電磁輻射防護距離（天線軸向距離）建議值

4 結 論

對5G基站電磁輻射水平的預測分析、環境影響評價及電磁輻射安全防護是5G工程建設中一項重要工作。本文對此問題從方法論和定量結論兩個方面均給出了明確的建議，相關結論對于國內5G工程的基站選址設計和電磁輻射水平預測等工作具有指導意義。