5G 電磁輻射選頻與非選頻監測模式對比分析與應用研究

［羅森文］

1 引言

2021 年全球5G 商業網絡建設進入到了新高度，截止到2021 年底，我國通信運營商將計劃累計建成約132 萬個5G（FR1 頻段）基站，2022 年5G 基站建設將會達到高潮，而5G 的電磁輻射又備受各方關注，如何客觀評估5G 電磁輻射的影響面臨很大挑戰，因此采取一種合理、科學的監測方法來衡量和反映5G 基站的真實電磁輻射水平顯得尤其重要。

與傳統的2G/3G/4G 約120°波束寬度的扇區天線相比，因5G 采用了mMIMO（Massive MIMO：超大規模輸入輸出天線陣列）等新技術，5G mMIMO 天線可以產生增益更高（如25 dBi）、寬帶更窄（如5～30°）和指向性更強的賦形波束，使得5G 基站的射頻信號功率在用戶方向上更加集中，從而確保5G 流量信道的高速傳輸性能。鑒于5G 通信基站的電磁輻射機理明顯有別于傳統的2G/3G/4G 網絡制式，因此，5G 的電磁輻射監測方法應符合5G 的輻射技術特點，需要與傳統的監測方法進行對比測試分析與研究。

本文對比分析了電磁輻射選頻監測和非選頻監測的技術特點與應用場景，并針對5G mMIMO 波束賦形的電磁特性，通過選頻模式和非選頻（寬帶模式），進行了5G電磁輻射監測案例對比測試實踐，研究了選頻和非選頻測試結果與國家電磁輻射限值要求的符合度，同時探討了選頻監測模式下，5 分鐘平均功率密度指標作為5G 電磁輻射環境質量評估的必要性和重要性。

2 選頻與非選頻監測的技術分析與應用場景

目前我國通信基站包括了2G、3G、4G、5G，工作頻率均在6 GHz 以下的各個不同頻段，電磁輻射的監測有非選頻式的寬帶監測、選頻式監測等兩種方法，這兩種監測方法的監測因子均為射頻電磁場，監測參數通常為功率密度或電場強度。針對上述不同網絡制式的基站輻射特點，我國也制定了相應的監測標準。

2.1 通信基站電磁輻射監測方法的技術特點分析

（1）隨著2G 通信在我國的快速發展，早在2007 年3G 建設開始之間，為規范和加強通信基站電磁輻射環境監測工作，根據當時的《電磁輻射環境保護管理辦法》及有關電磁輻射標準，原國家環保總局和原信息產業部聯合制定了《移動通信基站電磁輻射環境監測方法（試行）》（環發〔2007〕114 號），該方法適用于工作頻率范圍在110 MHz～40 000 MHz 內的基站電磁輻射監測，對移動基站監測采取非選頻式寬帶輻射測量儀，需要了解各個發射源的輻射貢獻時，則采用選頻式輻射測試儀。

（2）2008-2017 年間，從3G 逐步發展到4G，4G 成為了主要無線接入方式，每年新建基站超過100 萬個,基站電磁輻射問題始終伴隨網絡發展，為加強基站電磁環境保護頂層設計，完善國家電磁環境標準體系，防治通信基站的電磁輻射環境影響，2018 年生態環境部發布了HJ 972-2018《移動通信基站電磁輻射環境監測方法》，同時廢止了環發〔2007〕114 號文。由于2G、3G、4G 等的輻射技術特點本質上差異不大，主要是以固定端口發射功率，端口數通常不超過2TR/2RX（或4TR/4RX）的定向天線的輻射模式，信號類似一個平面發射出去，工作頻率均在中低射頻段（3 GHz 以下），因此，沒有必要去區分2G或3G、4G 的監測方法，HJ 972-2018 規定的方法適用于2G、3G、4G 等網絡制式的電磁輻射監測。

（3）2019 年6 月，我國開始了5G 網絡的正式建設，由于5G 的天線端口普遍采用32TR/32RX 或64TR/64RX（甚至128TR/128RX）的3D-mMIMO 技術，波束賦形能力得到了極大增強,信號可以在水平和垂直維度的空域中利用，信號的輻射電磁波形狀是隨業務需求而動的窄電磁波束，同時5G 的電磁波工作頻率和發射功率與前幾代基站有很大的改變，因此，基于5G 基站的技術特點，為規范5G 電磁輻射環境監測，非常有必要新制定適用于5G的監測方法，否則對評估5G 電磁環境質量是否符合國家限值標準要求帶來很大的挑戰。

為此，2020 年12 月生態環境部制定并發布了針對5G監測的新標準HJ1151-2020《5G 移動通信基站電磁輻射環境監測方法（試行）》，適用于5G 及與其他網絡制式共址的基站監測，于2021 年3 月開始正式實施。

2.2 非5G 基站的監測

根據HJ 972 的規定，對于2G/3G/4G 等非5G 基站的監測，通常應先使用非選頻模式（即寬頻模式）進行監測，監測結果作為該物理站址中的被監測點的電磁輻射值。鑒于選頻式寬帶測量實際結果是，若監測結果超出HJ/T10.3規定對單個項目的評價標準時，即超過GB 8702 規定的功率密度限值的五分之一，則再使用選頻模式對該點進行選頻測量，測試該點位在基站發射頻段范圍內的功率密度值，以分析同一物理站址中不同網絡制式基站天線的電磁輻射貢獻量。

2.3 5G 基站或含有5G 共址站點的監測

根據HJ 1151 的規定，5G 基站監測應使用選頻式的電磁輻射監測儀，測頻率范圍應包含被測5G 基站發射天線工作狀態時的下行發射頻段,這是因為非選頻模式無法分辨不同工作頻率的基站電磁輻射貢獻量，非選頻監測到的是監測儀表天線頻段內（如100 kHz-6 000 MHz）總的綜合場強數據，無法與國際或國家限值標準GB8702 形成不同頻率對應不同限值的限值要求關系。考慮到GB8702的輻射限值是根據頻率劃分,如通信射頻段有30～3 000 MHz，也有3 000～15 000 MHz，各自分別對應不同的限值要求，非選頻式寬帶監測的天線探頭無法對30～6 000 MHz 進行頻率細分,因此，也無法準確判斷多種制式共址時單個5G 基站電磁環境質量是否達標。

選頻監測則能夠在天線頻率響應范圍內，對監測頻率范圍進行按需設置，可以同時監測到不同頻率的電磁輻射貢獻的頻譜分布情況，能夠準確反映被測基站工作頻段的電磁輻射環境貢獻值，從而準確判斷被測基站的電磁輻射環境質量是否達標。

3 我國對5G 通信基站電磁輻射限值規定

3.1 國家限值標準發展情況

關于通信基站射頻段的電磁輻射限值要求，我國早在1988 年就制定了《電磁輻射防護規定》（GB 8702-88）和《環境電磁波衛生標準》（GB 9175-88）兩項國家標準，目的為防止電磁輻射污染、保護環境、保障公眾健康，促進伴有電磁輻射的正當實踐，如移動通信建設。隨著《中華人民共和國環境保護法》和生態文明建設的逐步實施，為更好滿足人們對美好電磁生態環境的需求，在參考國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）和電氣與電子工程師學會（IEEE）相關電磁輻射限值標準情況下，結合國內電磁環境保護工作實踐，我國又于2014 年整合修訂了上述兩項國家標準為《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）。

在滿足GB8702-2014 標準限值的前提下，鼓勵產生電場、磁場、電磁場設施（設備）的所有者（如通信運營商）遵循預防原則，積極采取有效措施，降低公眾曝露輻射風險。同時標準的整合也有利于完善我國電磁環境保護標準體系，有利于產生電磁污染相關行業的健康可持續發展，并為電磁環境投訴處理提供權威判斷依據。

3.2 通信運營商5G 電磁輻射限值要求

表1 是根據《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）導出的我國主要運營商5G 通信基站射頻段公眾暴露場所的最大功率密度限值要求。

表1 我國通信運營商5G（FR1 頻段）基站的電磁輻射限值要求

4 選頻與非選頻應用監測案例實踐與結果分析

根據前述對選頻和非選頻監測方法的不同技術特點分析，為了明確與區分這兩種方法用于5G 的電磁輻射監測將帶來極大的結果差異，本文通過監測現網運行的5G 基站案例進行測試驗證。

4.1 監測儀表電性能要求

衡量電磁輻射監測儀表的關鍵性能參數通常有頻率響應、各向同性和動態范圍等三項，其中頻率響應和各向同性又是影響測量不確定度的兩個重要因素。

選頻式電磁輻射監測儀具有頻譜分析能力，可以逐個頻點校準（不同頻率使用不同天線因子）來改善天線的頻率響應。同時，選頻監測不同頻率的測量值均有明確對應的控制限值，可以準確判斷被測5G 基站電磁輻射水平的標準符合性，因此選頻儀表還需考慮探頭最小檢出限、頻率誤差、線性度等指標要求。

而對于非選頻監測儀表電性能參數主要有頻率響應、動態范圍和各項同性等。

選頻式和非選頻式的輻射監測儀表電性能基本要求如表2 所示。

表2 選頻式和非選頻式電磁輻射監測儀電性能基本要求

4.2 被測5G 基站與網絡環境要求

處于正常運行的5G 室外現網200 W 宏基站，工作頻率3 400～3 500 MHz，基站天線掛高（離地）15～35 m、下傾角3～9 度。

此外，5G 網絡環境良好，確保5G 網絡可以連接到測試用終端（UE），并保證通過5G 終端發起業務需求時，5G 網絡可以提供持續的下行業務流量，且下行速率最高應能達到1 200 Mbit/s。

4.3 監測實踐

4.3.1 測試流程

（1）業務加載方式：準備1～4 臺5G 終端（UE）,配置無限流量SIM卡，同時安裝Speedtest APP模擬業務加載，每持續10～15 s，各終端通過SpeedtestAPP輪循模擬不間斷業務加載。

（2）終端布點：根據現場環境，進行終端現場布點選擇，離基站距離在30～200 m 范圍內選擇布點。

（3）監測點選擇：在建立和終端連接的條件下，在基站天線半徑30～180 m 之間空間范圍內，沿輻射方向法線尋找電磁輻射最大值。

4.3.2 監測高度要求

（選頻或非選頻）監測儀器探頭應距地面（或立足平面）1.7 m。監測時，監測儀器探頭置于監測儀器支架上，探頭尖端與操作人員軀干之間距離不少于0.5 m，并與5G終端設備保持在1 m 至3 m 范圍內。

此外，需避免或盡量減少周邊偶發的其他電磁輻射源的干擾及監測儀器支架泄漏電流等影響。

4.3.3 監測數據采集

監測點位應是在5G 基站天線的波束覆蓋范圍內。現場測試過程中，記錄各個監測點的測量穩定值，每個點位測量時間需根據選頻和非選頻模式來確定，同時記錄基站資源的負荷使用情況。

（1）對于選頻模式，依據HJ-1151標準要求，離地面高度1.7 m 處，每個監測點每次監測時間不少于6 min，讀取監測儀器的平均值。

【備注】平均值是指一段監測時間（比如6 min）得出所有的積分值進行平均處理；積分值是指監測頻段內所有頻點貢獻的功率密度值的總和。

（2）對于非選頻模式，依據HJ-972 標準要求，離地面高度1.7 m 處，記錄各個監測點不少于5 個測量值，每次監測時間不少于15 s，并讀取穩定狀態下的最大值。

4.4 案例測試結果與分析

4.4.1 Speedtest 業務加載測試結果

根據上述現場測試環境配置要求與測試流程，通過SpeedtestAPP 持續模擬高速下行業務，通過選頻和非選頻方式，監測了3 組不同物理站址的5G 基站天線法線方向的電磁輻射水平。

表3 為監測整個過程中,在基站天線半徑30～180 m范圍內，通過選頻模式和非選頻模式采集到的5G 基站最大電磁輻射功率密度。

表3 選頻和非選頻模式下5G 基站電磁輻射水平（功率密度）最大值監測結果對比表

【備注】選頻方式的讀數：6 min 平均功率密度；非選頻方式的讀數：15 s 或6 min 內穩定狀態下的最大功率密度。

4.4.2 選頻和非選頻測試結果分析

從表3 中的3 組基站的測試結果可以看出，對于同一組5G 基站的監測，在相同的600～1 200 Mbit/s 下行速率范圍內和網絡環境條件下，非選頻和選頻測試的測試結果存在很大的差異性，兩者可達6～8 倍以上的結果差異。

（1）選頻模式下，依據HJ 1151-2020，這3 組（D1、D2、H 組）5G 基站監測到的周邊最大電磁輻射劑量（6 min平均功率密度）在2.22～9.58μW/cm2，最大9.58μW/cm2，遠低于國家標準GB 8702-2014《電磁環境控制限值》規定的不超過47μW/cm2（頻段3.4～3.5 GHz）限值要求，約為GB 8702 規定的最大限值的20%。

也就是說，通過選頻模式監測5G 基站，在離基站30～180 m 的敏感區域內，即使在高速下行時（如速率600～1 200 Mbit/s），實際監測尚未發現有不符合國家標準GB 8702 限值要求的情況。

（2）非選頻模式下，依據HJ 972-2018，這3 組基站監測到的周邊最大電磁輻射劑量（15 s 或6 min 內的功率密度最大值）在20.03～69.87μW/cm2之間，最大69.87μW/cm2，存在超過GB 8702 規定的最大限值48μW/cm2（頻段3.4～3.6 GHz）的情況。

也就是說，如果通過非選頻模式監測5G 基站，在較高速下行時（如速率超過600 Mbit/s），存在超過GB 8702標準限值的情況發生。

4.4.3 測試小結

（1）根據上述測試結果對比國內限值標準要求的分析，可以發現原有的針對2G/3G/4G 制式的監測標準HJ 972～2018 已經不適用于采用mMIMO 技術的5G 基站的監測要求，即非選頻的寬帶測量方法下，5G 基站存在較多被認為不符合國家限值標準GB 8702 的情況。究其原因是因為非選頻監測獲取的瞬時采樣數據，不能客觀真實地反映5G 在不同應用場景下的全過程電磁輻射特性和強度變化，因此，非選頻監測方法不適合作為5G電磁環境評質量評估。

（2）針對5G 制定的HJ 1151～2020 監測方法，更能真實和客觀反映5G 波束賦形全過程的輻射強度，較好地保證了監測結果的合理性、科學性。在規定環境敏感區域內，選頻模式下5G 基站的電磁輻射水平（6 min 平均值）整體上符合GB 8702 限值要求。

（3）盡管非選頻不適合用于5G 電磁環境質量評估，但上述測試結果也可以看出，不論是采用選頻還是非選頻模式監測，本次5G 基站應用監測案例實際測量的電磁輻射（功率密度），最大不超過69.87μW/cm2（非選頻）或9.58μW/cm2（選頻），都極低于國際組織（如ICNIRP、WHO）不超過1 000μW/cm2的規定，因此，我國的5G基站電磁輻射風險整體上是可管可控，公眾無需擔憂5G電磁輻射問題。

5 結束語

本文分析了選頻監測（HJ 1151-2020）和非選頻監測（HJ 972-2018）的技術與應用特點，并通過選頻和非選頻的監測案例對比測試研究了5G 現網外場的電磁輻射水平，認為選頻模式下的6 min 平均功率密度作為評估5G 電磁輻射環境質量的重要技術指標，不僅與ICNIRP、IEC 等國際組織相關射頻輻射評估方法相接軌，而且更能準確、客觀、真實地反映5G 電磁特性和全過程應用場景的輻射強度，對于規范5G 基站電磁輻射環境監測，科學評估5G基站電磁輻射環境影響，消除公眾對5G 電磁輻射的擔憂，推進5G 網絡大規模發展進程具有重要作用。