5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素研究

顧劍宇 陳嘯

摘? 要：隨著5G通信基站的大規模建設，5G通信基站的電磁輻射安全成為居民日漸擔憂的問題，所以了解各因素對周圍電磁輻射水平的影響是環境現場監測的關鍵之一，該文通過現場監測所得數據進行分析和研究，以期分析結果能為相關監測工作者提供一些幫助和參考。

關鍵詞：5G移動基站；電磁輻射；MIMO天線；基站監測；數據分析

中圖分類號：X705? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）19-0008-07

Abstract： With the large-scale construction of 5G communication base stations， the electromagnetic radiation safety of 5G communication base stations has become a growing concern of residents， so understanding the impact of various factors on the surrounding electromagnetic radiation level is one of the keys to environmental on-site monitoring. This paper analyzes and studies the data obtained from on-site monitoring， in the hope of providing some help and reference for relevant monitoring workers.

Keywords： 5G mobile base station; electromagnetic radiation; MIMO antenna; base station monitoring; data analysis

政策和技術迭代，智能網聯升級等共同驅動，帶動了無線基礎設施建設的飛速發展。全國范圍內運營商啟動了2G/3G頻譜重耕，原先分配給運營商2G/3G的頻譜目前被大大壓縮，優質頻譜資源被用于4G和NB-IoT。5G相對4G而言優勢明顯，擁有更低的延時和更高的帶寬。萬物互聯場景下，5G商用將帶動更廣闊的下游應用場景發展，如自動駕駛、AR＼VR等。2019年6月6日，工業和信息化部正式向中國移動、中國電信、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照。2019年10月31日，中國5G網絡正式進入商用時代，5G移動通信基站建設規模進入提速階段，其數量和覆蓋范圍均迅速增大[1]。截至2023年2月末，我國5G基站總數達238.4萬個，占移動基站總數的21.9%，5G網絡建設穩步推進[2]。

與此同時，5G通信基站的大規模建設引發社會公眾對基站周圍電磁環境的持續性關注。本文通過現場監測5G通信基站周邊電磁輻射環境，采集分析了5G及其他網絡制式移動通信基站的電磁輻射場強數據，研究了各因素對周圍電磁輻射水平的影響，可為今后通信基礎設施建設提供參考。

1? 5G通信基站環境影響特性與電磁輻射安全

1.1? 5G移動通信基站環境影響特性

5G使用了Massive MIMO和3D波束賦形等關鍵技術，由4G固定端口功率與定向天線的電磁輻射模式向用戶隨動的窄波束模式轉變，使得5G天線的實際發射功率和天線波束方向隨基站覆蓋范圍內小區用戶的業務需求空間分布變化。與傳統的扇區天線（約120波束寬度，約17 dBi增益）相比，波束賦形的mMIMO天線可以產生高增益的窄波束（5～30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即時接入用戶，提高了信噪比，最大限度地減少來自相鄰用戶的干擾，提高整體信道寬帶傳輸性能[3]。

5G移動通信基站電磁輻射環境影響特性表現為：當5G通信基站覆蓋范圍內用戶沒有業務需求時，基站處于信號“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通信基站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，基站的實際發射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、工業應用和車輛網等）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[4]。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。

1.2? 電磁輻射

5G移動通信基站輻射屬于電磁輻射，是能量以電磁波形式由源發射到空間并在空間傳播的現象。電磁輻射對機體的危害主要為熱效應和非熱效應，沒有確定性的遺傳效應。熱效應是指電磁波將能量傳遞給機體的原子或分子，使其加速運動，引起機體升溫，影響機體的工作。一般認為功率密度大于0.1 W/m2時才會出現熱效應，而當能量小吸收慢時，人體通過自我調節也可以及時把吸收的熱量散發出去，不會導致機體的溫度上升。非熱效應是指機體受到電磁波干擾后，自身穩定的微弱電磁場被干擾和破壞，溫度雖無明顯升高，但細胞原生質發生改變致機體受到損害，嚴重時會影響人體的循環、免疫、生殖和代謝功能[5]。目前關于電磁輻射危害的研究存在較多爭議，只能確定其存在生物學效應，具體的危害尚無定論。一般認為符合國家標準GB 8702—2014《電磁環境控制限值》的電磁暴露對環境和身處該環境中的生物體是安全的。

2? 研究方法

2.1? 基站選址

選取通信基礎設施發達、人口密度大的上海市中心城區靜安區為代表性研究地點，考慮到大部分5G移動通信基站的選址位于人口稠密區域、基站周圍一般都有大量的建（構）筑物、5G用戶接入數的不可控及5G實時功率的波動等因素，篩選出某公園內部基站進行監測，使影響因素相對可控。

2.2? 監測方案

依據HJ 1151—2020《5G移動通信基站電磁輻射環境監測方法（試行）》分別在不同應用場景（數據傳輸、視頻交互、游戲娛樂和虛擬購物）和不同距離下對公園內部基站進行監測，布點方式以基站為原點，每20 m布設一個監測點，至120 m止。在監測數值高的區域以10 m為間隔加設監測點，尋求基站電磁輻射對周圍環境影響的最大值。

此外，5G移動通信基站電磁輻射與基站覆蓋范圍內的用戶（數量、業務量等）直接相關[6]，故通過增加5G終端數量進行測量比對，考察不同5G終端數量對5G通信基站的輻射水平影響

3? 現場監測與數據分析

3.1? 現場監測不可控因素與原因

基站的實時功率與基站的電磁輻射監測數據有直接關系，表1是以1臺5G終端在數據傳輸模式下（APP下載）多天在水平距離75 m點位進行監測所得的數據，盡管監測流量相同[A游戲（1.8 GB）+B游戲（1.9 GB）+C游戲（2.0 GB）]，但不同時間的監測數據有一定波動，基站電磁輻射的6 min平均值（AVG）為0.238～0.800 μW/cm2，最大值（MAX）為14.243～43.406 μW/cm2，基本處于一個數量級，同一天的前后2次測量值基本接近，最大值比6 min平均值大幾十倍，這和基站的瞬時輻射有關。由此可見，由于基站實際接入的5G用戶數和氣象條件無法控制、基站在監測方向上的實時發射功率不可知等不確定因素，在相同的監測點位、監測流量、監測儀器和應用場景下，5G通信基站產生的電磁輻射雖具有一定的一致性，但也呈現出一定的波動性，且波動性較大。

3.2? 不同應用場景下現場監測數據及分析

3.2.1? 游戲娛樂

表2是以1臺5G終端在游戲娛樂場景（抖音直播）下于基站西北方向不同距離的點位監測所得的數據，隨著監測點與基站距離由11 m增大到74.2 m，電磁輻射水平呈現增大趨勢，距離96 m處電磁輻射水平忽然減小，而116 m處又忽然增大，這可能和在公園里的基站為了更大的覆蓋區域，基站的下傾角較小且116 m處的地勢較高有關。在距離74.2 m和116 m處出現了2個輻射峰值，故對其重新進行了測量，復測結果依舊出現了2個峰值，分別在水平距離72 m（AVG為0.080、0.076 μW/cm2）和113 m（AVG為0.100、0.092 μW/cm2），130 m處數據有向下趨勢，與第一次測試的結果有很好的一致性，說明測試結果可信。

被測基站的輻射空間分布特征，導致基站西北處出現2個峰值，故后續監測不再以基站以西進行布點，轉而選取基站東北面進行布點。

以1臺5G終端在游戲娛樂場景（抖音直播）下于基站東北方向不同距離的點位監測所得的數據見表3，電磁輻射空間上的最大值出現在距基站水平距離為71.0～82.5 m處。對比表2、表3可見，基站西北方向的輻射水平普遍高于東北方向，這可能和東北方向有較多的樹木遮擋有關，因為5G通信基站監測所得的功率密度值隨著遮擋物的增多而衰減。

3.2.2? 數據傳輸

表4是以1臺5G終端在數據傳輸應用場景（APP下載）中不同流量下的電磁輻射狀況，監測位置為基站東北水平距離75 m處，3種下載流量下對應的頻譜圖如圖1—圖3所示。

結合電磁輻射監測結果（見表4）和下載圖譜的最大時域圖（圖1—圖3）可知，當有大流量使用時（下載開始），5G通信基站對周圍環境會產生明顯的電磁輻射。由于測量的是6 min的平均值，當下載包單個下載時，5G的電磁輻射也隨著下載包的增多（流量的增加）而逐步上升。結合表5進一步分析可知輻射水平與6 min總下載流量呈線性相關，總下載流量越大電磁輻射水平越高，在全程下載的情況下，輻射水平最大，6 min平均值甚至超過1 μW/cm2。故5G基站監測時5G流量使用的多少是5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素之一。

分析圖3、圖4和表6可知，在應用場景為數據傳輸（APP下載）進行監測時，當流量相同、下載包個數也相同時連續下載和下載包單個下載時產生的功率密度也不一樣，由于連續下載比單個下載用時減少，故5G基站監測時使用流量的時間也是5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素之一。

分析表7可知，在應用場景為數據傳輸（APP下載）進行監測時，2臺5G終端同時下載的電磁輻射水平明顯高于1臺5G終端下載的電磁輻射水平，2臺5G終端下載時功率密度6 min平均值是1個5G終端下載時的功率密度6 min平均值2倍以上。

分析表8可知，在應用場景為數據傳輸（APP下載）進行監測時，盡管HJ 1151—2020中規定監測儀器與5G終端保持在1～3 m的范圍內即可，但在數據傳輸時實際測得的功率密度在位置的1～3 m處卻有所區別，在距離為1 m時輻射水平明顯大于距離2 m和3 m的輻射水平。而距離2 m和3 m的輻射水平基本一致。造成這一現象的原因有2個，一是5G終端對基站天線波束的牽引和聚焦，5G采用賦形子波束指向5G終端，天線波束寬度很窄，終端與監測儀器距離越近，則監測儀器越接近天線子波束的中心，輻射水平更高。二是5G終端本身產生的電磁場對監測點位產生影響，5G終端離監測儀器越近，對監測點位產生的功率密度越大。

通過以上分析可知5G通信基站監測時使用的5G終端個數、使用的流量大小和流量使用時間都是5G通信基站周圍電磁輻射水平影響因素之一。5G通信基站監測所得的功率密度值隨著5G終端的增加而變大。5G通信基站監測所得的功率密度值隨著流量使用的增多而增大，若在監測過程中流量使用時間不滿6 min，那相同流量下，電磁輻射水平隨流量下載時長的增加而增大。

3.2.3? 不同應用場景下監測數據對比

分析表9和圖5—圖7，可知無論數據上還是圖譜上在游戲娛樂、視頻交互和虛擬購物這幾個的應用場景中，5G基站所產生的電磁輻射都相近。而這幾個應用場景都可歸類于視頻交互模式，并且其6 min產生的電磁輻射相對穩定，較少出現忽高忽低值。且這類應用場景中測量5G基站電磁輻射也更符合現實個人使用5G手機的常態。

3.2.4? 干擾值

本次監測產生的干擾值是在以2臺5G終端同時下載下列APP的應用場景下進行監測，且兩手機在距離監測儀器1.2 m處測量所得的數據。

分析圖8、圖9和表10，當以2臺或以上的5G終端進行基站測量時，5G通信基站周圍環境中所測得的功率密度有時會變得極高，最高值甚至會達到200 μW/cm2左右。當出現這些較高的干擾值時，再以圖8圖譜上的最大時域圖與圖9圖譜上的最大時域圖相比，同一流量下測得下載包下載的總時長增加，而此時觀察5G終端（手機）時，可以明顯看出下載的總時長增加，下載速度減慢，并且2臺5G終端（手機）的下載時長和下載速度差距明顯，其中1臺5G終端（手機）下載結束后，另外1臺5G終端（手機）才開始正常下載，故當有2臺或者以上的5G終端（手機）進行監測時，他們處于某種條件下，發生某種相互干擾，那么此時因為這一行為，可能會產生一個較強的電信號，導致監測數據因為5G終端（手機）出現較大誤差。

4? 結論與展望

5G終端為手機時，在數據傳輸、虛擬購物、視頻交互和游戲娛樂等應用場景中，監測到的電磁輻射均低于國家標準GB 8702—2014《電磁環境控制限值》中規定的該頻段公眾暴露限制0.4 W/m2。

監測過程中，5G終端離監測儀器的遠近和終端數量都會對監測產生一定影響，今后宜采用6 min持續視頻交互、單個5G終端的條件進行監測，并標注好5G終端離監測儀器距離，以便使監測更具有可復現性和可操作性。

參考文獻：

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