5G基站輻射安全與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究

許浩，曹弘毅

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200120）

1 引言

目前5G網(wǎng)絡(luò)相比于4G，使用更大的帶寬、更高的頻譜。為了保證覆蓋效果，一方面5G 100 MHz的帶寬相比于4G 20 MHz的帶寬需要5倍左右的功率；另一方面，5G主流使用的3.5 GHz頻段相比于4G常用的1.8 GHz頻段，傳播距離更短、穿透能力更弱，需要部署更多的基站。因此，需要引入超密集組網(wǎng)增強覆蓋能力，這也導(dǎo)致基站與公眾活動區(qū)域間的距離更近。生活中隨處可見的5G基站設(shè)備也使得公眾開始關(guān)注5G輻射安全問題。

基于此，為了在滿足輻射安全規(guī)范的情況下開展組網(wǎng)，需要從5G異構(gòu)組網(wǎng)基站設(shè)備性能、電磁輻射原理、安全規(guī)范要求、典型室內(nèi)外覆蓋場景等方面開展相關(guān)研究分析，為在實際組網(wǎng)中避免輻射危害提供依據(jù)，指導(dǎo)5G規(guī)模建設(shè)過程中既能保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知，又能兼顧確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對公眾電磁輻射安全。

2 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

超密集無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠大幅提升無線網(wǎng)絡(luò)容量與流量密度，被認為是5G網(wǎng)絡(luò)的重要組網(wǎng)技術(shù)之一。5G來臨后，移動通信將會大量使用3 GHz以上頻段，甚至是毫米波頻段。基于宏基站蜂窩的傳統(tǒng)組網(wǎng)方式已經(jīng)無法滿足高頻段的需求，如圖1所示，除宏基站以外，將引入電線桿（高桿）、路燈桿（低矮桿）、電話亭等異構(gòu)站址，基站密度大幅增加。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景示意圖

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。用戶設(shè)備（user equipment，UE）發(fā)起業(yè)務(wù)，經(jīng)過新空口（new radio，NR）到達無線接入設(shè)備，可以是有源天線處理單元（active antenna unit，AAU）、微型遠端射頻單元（pico remote radio unit，pRRU）、遠端射頻單元（remote radio unit，RRU），進入集中式單元/分布式單元（centralized unit/distributed unit，CU/DU）進行基帶處理，經(jīng)過5G核心網(wǎng)（5G core network，5GC）轉(zhuǎn)發(fā)至外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（data network，DN）。

在5G組網(wǎng)方案中，主要使用的無線接入設(shè)備類型、典型射頻性能指標(biāo)及典型應(yīng)用場景見表1。

由表1可見，各種組網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率、天線增益、設(shè)備與公眾距離有較大差別，導(dǎo)致輻射強度也有較大差別。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋設(shè)備類型典型射頻性能指標(biāo)及典型應(yīng)用場景

3 電磁輻射影響與理論模擬計算

3.1 電磁輻射對人體影響與國家標(biāo)準要求

移動網(wǎng)絡(luò)通過無線電波通信，使用戶可以隨時隨地連接網(wǎng)絡(luò)、溝通世界，已成為公眾生活中一個重要的組成部分。包括5G在內(nèi)的移動通信基站所發(fā)射的無線電波是電磁波的一種，但與X射線或γ射線輻射等電離輻射不同的是，無線電波不會打破化學(xué)鍵，也不會給人體造成電離輻射傷害。但鑒于移動電話用戶普及率極高，公眾對基站電磁輻射的關(guān)注度越來越高。

世界衛(wèi)生組織過去20年來進行了大量研究，以評估移動電話是否具有潛在的健康風(fēng)險。迄今為止，尚未證實移動電話的使用對健康造成任何不良后果，但認為各國相關(guān)部門應(yīng)采取措施保護其公民避免有害強度的射頻場對健康造成影響。

國家標(biāo)準《GB 8702-2014 電磁環(huán)境控制限值》，規(guī)范了包括5G網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的電磁輻射環(huán)境影響的最高限值，詳見表2。

表2 電磁環(huán)境控制限值

電場強度在數(shù)值上等于電場中某一點的單位電荷在那一點所受的電場力，理想電荷的電量、體積均充分小，可忽略它對電場分布的影響并精確描述各點的電場。功率密度指一個從放射源向平面狀物體照射時，每單位面積所得到的放射束數(shù)量的物理量。

電場強度E與功率密度Seq以式（1）進行換算。

其中，Z0為自由空間的波阻抗，為377 Ω。

后文將以應(yīng)用較為普遍的功率密度為單位計算。

根據(jù)具體所用頻段不同，不同運營商的頻段輻射限值有些許的區(qū)別。根據(jù)安全原則，選取頻段中能夠得出最小功率密度限值的頻率下沿進行計算，詳見表3。

表3 5G移動通信各頻段的電磁環(huán)境控制限值

3.2 模擬計算理論基礎(chǔ)

根據(jù)目前國際上5G主要使用的3.5 GHz頻段計算，以f=3 500 MHz為例（對應(yīng)的安全功率密度為0.467 W/m2），分析研究各種覆蓋場景下輻射強度水平情況。

天線的輻射場分為3個區(qū)域，分別是電抗性近場、輻射近場（菲涅耳區(qū)）以及輻射遠場（弗瑯和費區(qū)）。其中電抗性近場為天線口徑面至λ/2π（約1.4 cm）之間。輻射近場和遠場邊界如式（2）所示。

其中，D為天線口徑（cm），λ為波長（cm）。

以3.5 GHz頻段AAU為例，天線口徑為9 cm，近遠場邊界約為19 cm。在實際案例中，基本沒有公眾可到達設(shè)備天線附近19 cm范圍內(nèi)的場景，因此本文僅討論遠場環(huán)境。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準《HJ/T 10.2-1996 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》，微波頻段遠場軸向功率密度（mW/cm2）計算式如式（3）所示。

其中，P為發(fā)射機平均功率（mW），G為天線增益（倍數(shù)），r為測量位置與天線軸向距離（cm）。

由圖2可見，根據(jù)球面波理想模型計算輻射強度值時，設(shè)想在無限均勻介質(zhì)中心存在一個全向發(fā)射天線，向球面任意一點增益相同，球面等距離各點距離發(fā)射機越遠，功率密度隨球面面積增大而衰減越大。

圖2 遠場軸向功率密度理想、實際計算模型

在實際網(wǎng)絡(luò)中，多采用指向性較好的天線增強覆蓋效果，以減小與周邊使用相同頻率基站的干擾。因此，主瓣正對方向，不同距離、不同角度的功率密度可根據(jù)式（3），考慮天線增益后計算得出，可形成如圖2(b)的模型。由于在現(xiàn)實環(huán)境中，大氣中的粉塵、水汽、人體、樹木和建筑物等阻擋物均會對輻射強度造成不同程度的衰減，所以，實測值會明顯低于理論值。

以中國電信、中國聯(lián)通使用的3.5 GHz頻段為例，上下行采取TDD時分復(fù)用的工作方式，采用5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)，上下行時隙配比為3:7，基站只在下行時發(fā)射功率，如圖3所示。

圖3 3:7雙周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

由于上下行時隙轉(zhuǎn)換周期5 ms遠小于國家標(biāo)準規(guī)定的輻射測量周期6 min（見表2注2），所以基站發(fā)射功率長期平均值≈額定功率×70%。如果基站額定功率為200 W，計算時可將實際平均發(fā)射功率認為140 W。

3.3 主瓣方向安全距離

根據(jù)5G覆蓋典型設(shè)備的主要參數(shù)，以0.467 W/m2為限值標(biāo)準，基站上下行時隙配比3:7，按照表1所給定的天線增益計算，主瓣方位安全距離及距離與功率密度關(guān)系如圖4所示。

圖4 典型覆蓋設(shè)備主瓣方位距離（m）與功率密度（W/m2)關(guān)系

4 典型場景安全區(qū)分析與理論計算

根據(jù)以上計算結(jié)果，繼續(xù)以3 500 MHz頻點，時隙配比為3:7的基站，分析在高桿站、低矮桿站、電話亭基站、室內(nèi)微基站等各場景的安全距離。

4.1 高桿站場景

典型高桿站天線增益示意圖如圖5所示。由圖5可見垂直增益主波瓣位于垂直面約95°方位，增益15 dBi，第一下旁瓣位于垂直面約120°方位，增益約?3 dBi，與主瓣差18 dB（63倍）；第二下旁瓣位于垂直面約125°方位，增益約?2 dBi，與主瓣差17 dB（50倍）。由于距離基站較近的位置往往方位角大于125°，增益比主瓣低17 dB以上，可忽略不計，僅需根據(jù)主瓣計算安全距離。

圖5 典型高桿站天線增益

如圖6所示，典型高桿站場景主要考慮水平安全距離，主要保護天線正對方向建筑等可能在主瓣正對方位公眾活動區(qū)域的安全。主瓣方向角及主瓣安全距離共同影響水平安全距離。

圖6 典型室外宏基站場景

根據(jù)圖4可得天線的主瓣方向安全距離，高桿站天線主瓣安全距離為27.49 m。以綜合下傾角15°計算，水平安全距離為26.55 m。據(jù)此，在天線正對方向，與基站距離26.55 m范圍內(nèi)不應(yīng)存在相同高度或略低于基站的有人建筑物。

此外，高桿站天線掛高一般在20 m以上，下傾角一般不大于15°。天線下旁瓣的增益顯著低于主瓣15 dB以上，無須考慮對于近點地面的輻射。

4.2 低矮桿站場景

如圖7所示，低矮桿站場景主要有最低安全掛高和水平安全距離兩項。最低安全掛高，主要保護在低矮桿場景中，在地面近點活動公眾的安全；水平安全距離，主要保護天線正對方向建筑內(nèi)活動公眾的安全，可以通過主瓣安全距離計算水平安全距離及天線最低掛高。

圖7 典型低矮桿站場景示意圖

根據(jù)圖7可得，40 W小型RRU的主瓣方向安全距離為7.75 m，以天線掛高15 m、綜合下傾角15°計算，水平安全距離為7.48 m。據(jù)此，在天線正對方向，與基站距離7.48 m范圍內(nèi)不應(yīng)存在相同高度或略低于基站的有人建筑物。

如果由于客觀因素受限，天線掛高低于15 m，可計算最小安全掛高：

根據(jù)國家規(guī)范，人體高度考慮為1.7 m，下傾角為15°的情況下，最小安全掛高為3.7 m。由圖8可見塔下近點天線增益約為?5 dBi以下，計算可得該位置功率密度小于0.10 W/m2，符合安全要求。

4.3 電話亭基站

由于5G電話亭基站天線掛高無法調(diào)整，僅為2.2 m，距離公眾更近，此類基站的輻射問題，得到了社會的廣泛關(guān)注。

由圖8可見垂直增益主波瓣位于垂直面約7°方位，增益12 dBi，第一下旁瓣位于垂直面約15°方位，增益約0 dBi，與主瓣差12 dB（16倍）；由于電話亭的限制，主要通過使用優(yōu)化發(fā)射功率的方法控制輻射強度。

圖8 典型小型RRU天線垂直增益

根據(jù)圖9，在公眾位于電話亭門口時，約在第一下旁瓣方位，天線距人體約為0.7 m（水平距離約為0.5 m），天線增益約為0 dBi，同時考慮電話亭玻璃鋼美化罩造成約5 dB的衰減，根據(jù)前文功率密度計算式，需優(yōu)化發(fā)射功率至8 W以內(nèi)，就能控制輻射強度至0.45 W/m2以內(nèi)。

圖9 典型電話亭站點場景

同時由于電話亭基站一般位于密集城區(qū)，天線主瓣方向輻射可能影響附近略高于地面位置的安全，例如附近存在臺階或自動扶梯等情況。需要額外考慮主瓣方向安全距離，在8 W功率下主瓣安全距離為3.46 m。據(jù)此，在天線正對方向，與基站距離3.46 m范圍內(nèi)應(yīng)保持地面相對平整，或電話亭高于附近地面，避免主瓣照射高臺、扶梯等公眾可能到達的高處位置。

在電話亭內(nèi)，由于人體與天線間存在不銹鋼頂板阻擋，衰減在30 dB（1 000倍）以上，且該處天線增益低于0 dBi，故無須考慮該處輻射問題。

4.4 室內(nèi)微基站理論計算

室內(nèi)微基站多采用pRRU覆蓋，設(shè)備大多為吸頂安裝，主瓣垂直向下方輻射，如圖10所示。

圖10 室內(nèi)微基站天線示意圖

由于室內(nèi)場景公眾可達的最近距離在設(shè)備正下方，垂直安全距離和主瓣安全距離一致。pRRU安裝高度應(yīng)大于輻射安全距離+人體高度（1.7 m），常見pRRU射頻指標(biāo)與安全距離見表4。

表4 常見pRRU射頻指標(biāo)與安全距離（天線增益：5 dBi）

以額定發(fā)射功率2 W、天線增益5 dBi的典型pRRU計算，安全距離為0.869 m。工程實踐中pRRU天線安裝的高度應(yīng)大于2.569 m。若層高較低，可通過相應(yīng)地降低pRRU功率控制輻射強度低于安全限制，如降低到0.5 W，那么輻射值與有吊頂阻擋時高度相當(dāng)。

考慮到大部分場景室內(nèi)天線安裝位置與公眾可達位置間存在有石膏板、細木工板等裝飾吊頂材料阻擋，一般衰減為5～13 dB，為充分考慮安全防護，以理想的3 dB衰減來計算，最低安裝高度為2.134 m，明顯低于大多數(shù)商業(yè)建筑層高。

5 實地測試驗證

根據(jù)以上理論分析結(jié)果，針對室外宏基站場景、室外桿站場景、電話亭場景和室內(nèi)微基站分別進行現(xiàn)場測試驗證。根據(jù)國家標(biāo)準，測試中國電信3 400～3 500 MHz基站，單次測試時間為1 min，取6次測試平均值得到最終結(jié)果。

從結(jié)果來看，由于理論計算基于理想環(huán)境，而現(xiàn)場環(huán)境中影響因素較多，實測值相比理論值略小。

5.1 典型高桿站場景測試情況

選取典型自立桿塔站型場景，使用RRU+外置天線，發(fā)射功率200 W，天線增益15 dBi，天線掛高約25 m，下傾角15°。由于現(xiàn)場無法找到高空位置測試，主要測試地面輻射情況。測試設(shè)備放置在距地面1.7 m進行測試（考慮人體高度1.7 m）。測試結(jié)果見表5，均符合安全規(guī)范。

表5 室外場景地面實測值

5.2 低矮桿站場景測試情況

選取典型低矮桿站場景，使用小型RRU，發(fā)射功率40 W，天線增益11 dBi，下傾角15°，天線掛高15 m。由于桿站無法找到高空位置測試，主要測試地面輻射情況。測試設(shè)備放置在距地面1.7 m進行測試（考慮人體高度1.7 m）。測試結(jié)果見表6，均符合安全規(guī)范。

表6 桿站場景地面實測值

5.3 典型電話亭基站場景測試情況

選取典型電話亭基站場景，覆蓋設(shè)備為小型RRU，天線掛高2.2 m，增益11 dBi，功率計算結(jié)果設(shè)為8 W，有一層玻璃鋼美化罩阻擋（衰減值5 dB以上）。測試設(shè)備天線高度2.2 m，位于主瓣正對方位。由于美化罩導(dǎo)致實測值低于理論值，理論值?5 dB（3倍）衰減后，與實測值基本契合。測試結(jié)果見表7。

表7 電話亭場景主瓣方向?qū)崪y值

然后進行公眾可達位置、配置不同的發(fā)射功率測試，測試設(shè)備天線高度1.7 m。測試結(jié)果見表8，在功率低于8 W的情況下，測試結(jié)果均符合安全規(guī)范。

表8 電話亭場景優(yōu)化功率后公眾可達位置輻射強度實測值

最后，在8 W功率下，進行覆蓋效果測試。測試結(jié)果如圖11所示。線條為RSRP，色塊表示SINR，可見在功率降低至8 W的情況下，仍能保證100 m內(nèi)的覆蓋效果，可以發(fā)揮對電話亭站的設(shè)計要求，有效起到補盲疏忙的作用。

圖11 電話亭場景覆蓋效果實測值

5.4 典型室內(nèi)覆蓋場景測試情況

選取典型室內(nèi)覆蓋場景，覆蓋設(shè)備為pRRU，天線掛高2.6 m，增益5 dBi。首先使用升降測試設(shè)備天線高度的方法測試各高度的功率密度。測試結(jié)果見表9。在2.5 m凈高（考慮人體高度1.7 m）時輻射安全；在1 W發(fā)射功率下，輻射也安全。

表9 室內(nèi)場景功率密度實測值

然后進行覆蓋效果測試，測試結(jié)果見表10。

在發(fā)射功率降低至1 W的情況下，仍能保證30 m內(nèi)的RSRP大于?100 dBm，覆蓋效果良好，足夠滿足pRRU布放間距的設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

經(jīng)過以上分析和現(xiàn)場測試，為了有效地兼顧公眾電磁輻射安全和5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，對于5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有如下主要建議。

· 高桿站建設(shè)位置，應(yīng)該距離建筑物26.55 m以上。

· 低矮桿站建設(shè)位置，應(yīng)該距離建筑物7.48 m以上，最小掛高3.7 m以上。

· 電話亭基站建設(shè)位置，應(yīng)該距離周邊高臺（臺階、扶梯等）3.46 m以上；發(fā)射功率不超8 W；電話亭應(yīng)采用金屬作為頂，隔離基站輻射。

· 室內(nèi)覆蓋pRRU建設(shè)位置，在無吊頂阻擋的情況下，掛高應(yīng)高于2.5 m，或者降低功率到1 W以下。

如果建筑物正對基站的墻面沒有窗戶、陽臺等，可以不考慮間隔距離。

隨著5G無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)快速推進，公眾對于基站輻射高度關(guān)注。合理部署基站位置，打造高效、綠色的5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，造福大眾。誠然，5G發(fā)展剛剛起步，新的站型會不斷出現(xiàn)，輻射安全問題研究也需要與時俱進，在大規(guī)模組網(wǎng)中進一步對各類設(shè)備、各種場景進行科學(xué)的分析測試，同時確保用戶良好感知和公眾健康安全。