5G（Sub 6G）移動通信基站電磁輻射初探

［羅森文 魯娜 王華剛 陳少川］

1 引言

第五代（5G）移動通信具有大帶寬、低時延、海量連接等特點，是新一代信息技術的發展方向和數字經濟的重要基礎，得到了各國高度重視和大力發展。到2021 年底，我國三大運營商將累計建成超過130 萬個5G（Sub 6G）基站（含電信聯通共建共享5G 基站），5G 終端連接數將突破3 億，繼續推進5G 更好賦能千行百業。

由于5G（Sub 6G）使用了比4G 更大的帶寬和更高的載頻，通常射頻頻率越高衰減越大，使得單個5G 宏站在城市中心區域的覆蓋半徑約在300～500 m、郊區大概500～1 000 m、農村1 000～2 000 m，而單個4G 宏站覆蓋半徑可以到1 000～3 500 m。為了確保同樣覆蓋質量，在城市中心區域的5G 基站數則要比4G 多3～5 倍。面對5G基站數量的激增，5G的電磁輻射也成為了當前全社會非常關注的熱點話題之一。特別是針對社會上有關5G 輻射超標和影響健康的各種傳言，公眾迫切需要認識與了解5G 電磁輻射真相。

本文從5G（Sub 6G）輻射技術特點、國際國內5G輻射限值標準要求、商用5G 外場輻射監測結果等方面，就5G 電磁輻射安全限值的符合性進行探究。

2 5G mMIMO 基站輻射技術特點

2.1 5G 波束發射的指向性

5G 之所以比4G 具有優勢，很重要一個因素是5G 演進中使用了Massive MIMO（mMIMO：超大規模輸入輸出天線陣列）和3D 波束賦形（Beam-Forming）等關鍵技術，5G 由4G 固定端口功率與定向天線的電磁輻射模式轉變為用戶隨動的窄波束模式，即5G 天線的實際發射功率和天線波束方向都是隨著基站覆蓋范圍內小區用戶的業務需求空間分布而變化的。與傳統的扇區天線（約波束寬度，約17 dBi 增益）相比，波束賦型的mMIMO 天線可以產生高增益的窄波束（波束寬度，高達24～25 dBi或更高增益），波束具有很強的指向性，使基站發射的射頻信號功率在特定方向上更加集中,以便更好地將射頻能量對準用戶，提高了信噪比，最大限度地減少來自相鄰用戶的干擾，提高整體信道流量傳輸性能。

2.2 5G 業務需求與波束輻射強度關系

當5G 基站覆蓋范圍內用戶沒有業務需求時，基站是處在一個信號“廣播”狀態，在基站的覆蓋范圍內不斷進行用戶搜尋，此時基站的實際發射功率很低。當5G 基站在覆蓋范圍內用戶業務需求量增加時，基站與終端用戶建立相應的業務連接，基站執行上、下行通信，基站的實際輸出功率大小與小區內用戶的業務需求類型（即應用場景，如：數據傳輸、視頻交互、游戲娛樂、虛擬購物、智慧醫療、工業應用、車輛網等）直接相關，即5G 電磁輻射強度與數據下行速率顯著相關。此外，多用戶mMIMO 技術可以通過使用多個波束如2 波束、4 波束或8 波束，同時針對多個空間分離的用戶，從而提高業務吞吐量并減小時間延遲。當一個基站同時為多個用戶服務時，發射機的功率被分配到不同的方向，此時指向用戶的波束輻射強度將下降。

總之，5G Massive MIMO 基站的發射信號在頻域、時域、空域都具有非確定性。頻域和時域方面，只有5G用戶有業務需求時被調度到的PRB（（Physical Resource Block））才有實際射頻發射信號，且射頻輻射強度與用戶數據下行速率較強相關。空域方面，Massive MIMO 波束賦形的發射信號具有用戶隨動的空域定向性（指向性）。

3 國際/國內5G 輻射限值標準要求

3.1 國際標準要求

國際上有兩大主流的射頻電磁場輻射限值標準：ICNIRP 標準和IEEE 標準，這兩個標準規定了5G 通信頻段的要求公眾暴露環境下的輻射照射限值（功率密度）均為≤1 000 μW/cm2，具體如下。

3.1.1 ICNIRP 2020 導則

ICNIRP 2020 導則是國際非電離輻射防護委員會標準，也是WHO（世界衛生組織）推薦的標準。主要使用國家：歐洲主要國家、澳大利亞、新加坡、巴西、以色列以及我國的香港特區等，而意大利、盧森堡、瑞士、比利時、俄羅斯等則使用了比ICNIRP2020 標準更嚴格的要求。

ICNIRP2020-《ICNIRP Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields（100 kHz to 300 GHz）》:《限制100 kHz～300 GHz 電磁場曝露的ICNIRP 導則》，規定了職業暴露和公眾暴露的限值要求，如表1 所示。

表1 ICNIRP 2020 導則一般公眾暴露（全身）的導出限值要求

3.1.2 IEEE C95.1-2019 標準

IEEE C95.1-2019 是美國電氣與電子工程師學會標準：《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric,Magnetic,and Electromagnetic Fields,0 Hz to 300 GHz》：《關于人體曝露在0 Hz～300 GHz 電場、磁場和電磁場的安全水平標準》（C95.1-2019）對公眾區限值 。主要使用國家：美國、加拿大、日本、韓國以及我國臺灣地區等，如表2 所示。

表2 IEEE C95.1-2019 公眾區電磁場最大容許暴露水平

3.2 中國國家標準要求

3.2.1 限值評價標準

我國電磁輻射相關標準主要是參考IEEE、ICNIRP、IEC 等機構的標準，總體上比國際標準趨嚴。在射頻段，我國電磁輻射標準的現狀如表3 所示。

表3 我國射頻電磁輻射技術標準現狀

其中《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）是我國電磁輻射領域最基礎、最重要的質量評價標準，它規定了射頻電磁輻射的公眾曝露控制限值，如表4 所示。

表4 GB8702-2014 射頻段公眾曝露控制限值

3.2.2 三大運營商5G 電磁輻射限值要求

根據表4 射頻段公眾暴露控制限值要求，我國三大運營商的5G 基站輻射的最大功率密度限值要求如表5 所示。

表5 我國三大運營商5G（Sub 6G）電磁輻射限值要求

3.2.3 國際、國內標準的輻射限值對比

通過上述表1、表2、表4 和表5 可以看出，我國GB 8702～2014 標準規定三大運營商的5G（Sub 6G）基站電磁輻射最大限值（輻射功率密度，6 分鐘平均值）在40～65 μW/cm2，而歐盟/美洲/亞太等大都國家普遍采用的國際標準ICNIRP-2020 和IEEE C95.1～2019 規定的5G基站電磁輻射最大限值（功率密度）為1 000 μW/cm2。顯然，我國的5G（Sub 6G）基站輻射限值比大都國家采用的國際標準限值嚴酷了15～20 倍。

當然，也有少數國家的5G 輻射限值比我國嚴酷，如波蘭、意大利為9.5 μW/cm2（輻射功率密度），瑞士則為4.2 μW/cm2（輻射功率密度），比我國嚴苛4～10 倍，比歐美大部分國家嚴苛100～200 倍。不過，目前波蘭等國家已放寬至1 000 μW/cm2。

通過上述輻射限值對比，不同國家/地區的電磁輻射安全管制要求差異非常大，也可以說明電磁輻射功率對公共環境與公眾健康的實際影響，目前全球尚未有公認的統一確定標準。通信射頻電磁輻射屬于非電離輻射，低強度微波電磁輻射長期暴露是否能引起肌體的健康危害尚存在一定的爭議。

不過，事實上移動基站從1G 到2G、3G、4G 近40年來，國際一直有不少機構如：世界衛生組織（WHO）、國際癌癥研究中心（IARC）以及我國科技部“973”項目《電磁輻射危害健康的機理及醫學防護的基礎研究》（2011 年）等，對移動通信的射頻電磁輻射（弱物理因素）公眾暴露引發的健康效應進行了較長期的系統研究，目前還尚無確定性的研究結論、也沒有實際的案例可以證明基站輻射對公眾暴露產生確定性的健康影響。ICNIRP 和WHO 規定射頻電磁公眾輻射照射限值（功率密度）≤1 000 μW/cm2，也是基于射頻電磁場健康效應的長期研究尚未發現有確定性的健康影響而得出的一個安全限值。

4 商用5G 外場輻射監測結果分析

前述提到了5G 天線的實際發射功率與天線波束方向都是用戶隨動且與務需求強相關，5G 輻射問題也只有考慮在業務需求場景下才有實際意義，非業務場景下（廣播狀態）的5G 因天線發射功率比較低通常無需考慮輻射問題。

4.1 監測應用場景與監測依據

5G（Sub 6G）的主要應用有eMBB（增強型移動寬帶）、uRLLC（超高可靠與低延遲通信）、mMTC（海量機器類通信）等三大類業務場景，具體包括：數據傳輸、視頻交互、游戲娛樂、虛擬購物、智慧醫療、工業應用和車聯網等應用場景，可以根據監測目的選擇不同的應用場景。

本文重點在探討5G 電磁輻射安全的符合性，監測商用5G 外場的電磁輻射水平情況無疑是最有說服力的實踐，而5G 最廣泛和最典型的應用場景是eMBB，其中又以下行速率達1～1.2 Gbit/s的高速下載方式為5G 電磁輻射環境監測的最嚴酷加載應用場景。

依據國家生態環境部制定的HJ 1151-2020《5G 通信基站電磁輻射環境監測方法（試行）》以及GB 8702-2014《電磁環境控制限值》等強制性標準，中國電信研究院2020 年對現網各種5G 基站（含5G 共享基站）的外場電磁輻射水平進行了抽測。

4.2 eMBB 監測結果

在5G 單用戶或多用戶同一方向上，根據5G 基站各種現網配置模式，持續6 分鐘高速加載業務（下行速率600 Mbit/s～1.2 Gbit/s）的嚴酷應用場景下，以基站天線為圓心、半徑為約26～160 m的環境敏感區域內，監測并統計了5G 天線法線方向上（波瓣/波束寬度覆蓋范圍內）的電磁輻射劑量（功率密度）。

監測結果表明eMBB 應用場景下不同的下行速率，對監測讀數影響較大，通常下行速率越大則敏感區域內的監測輻射數值也越大。天線覆蓋的敏感區域內監測到的輻射最大值不超過21 μW/cm2（功率密度，6 分鐘平均值），遠低于國家標準GB 8702-2014 規定的不超過47 μW/cm2（頻段3.4～3.5 GHz）限值要求，更是遠遠低于國際標準ICNIRP和世衛WHO所規定的不超過1 000 μW/cm2限值要求。

需說明的是，盡管5G 電磁輻射摸底監測來源于實際的商用現網環境下進行的，但現網5G 基站數量龐大，安裝環境十分復雜，不僅架設高度、天線下傾角都有不同，基站覆蓋范圍內還存在建筑物遮擋、反射、繞射等影響，摸底監測樣本難于兼顧基站所有安裝場景。因此，在樣本基站選擇中，考慮了密集商業區、城市居民區、郊區等三種不同的典型建站環境，來監測環境敏感區域的5G 電磁輻射水平，確保了監測選點具有較好的代表性和普遍性。此外，監測布點在5G 基站天線下傾角及天線波瓣寬度覆蓋范圍內的電磁環境敏感目標處，避免由于監測布點不規范而導致的監測數據結果差異過大問題，確保了監測數據的合理性和客觀性。

5 結語

本文分析了5G mMIMO 波束賦形具有的波束指向性、用戶隨動特點以及業務需求與波束輻射強度的關系，同時對比了國際國內5G 輻射限值標準要求，并根據HJ 1151-2020《5G 通信基站電磁輻射環境監測方法（試行）》，分析了eMBB 應用場景下的5G 商用現網外場的電磁輻射水平結果，對5G 電磁輻射的安全符合性進行了評估，認為5G（Sub 6G）電磁輻射水平整體上符合國家標準GB 8702-2014《電磁環境控制限值》要求。今后對于密集城區/居民區處的5G 基站選址時，做到科學規劃和合理設站，同時加強建站前的電磁輻射影響預評估以及建成投入運行前的監測，5G 電磁輻射風險可以得到有效管控，天線覆蓋范圍內敏感區域的輻射水平將有效控制在國家標準GB8702的限值之下，因此，公眾無需對5G（Sub 6G）基站的電磁輻射感到擔憂。

最后希望通過本文的介紹，能有助于公眾消除對5G電磁輻射問題的誤解與顧慮，促進公眾進一步加深認識5G、理解5G、擁抱5G，并支持5G的建設發展，推動打造一張綠色環保、百姓放心的高質量5G 網絡。