鄧曉欽，高 鵬

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，成都 611139)

前 言

隨著科學技術(shù)的日益發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，第五代移動通信技術(shù)迅速走進我們的生活。5G 是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，也是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)之后的延伸。為了方便信號覆蓋，城市主要街道和居民區(qū)基站敷設密度不斷增加，由此所帶來的電磁輻射問題不斷受到人們的廣泛關注和社會重視[1]。

5G通信的主要技術(shù)之一，是應用了大規(guī)模MIMO技術(shù)。其主要特點是：(1)天線通道數(shù)量多，相比傳統(tǒng)基站的天線基本是2天線、4天線或8天線，而大規(guī)模MIMO通道數(shù)達到64/128/256個，形成天線陣列；(2)傳統(tǒng)的MIMO我們稱之為2D-MIMO，信號類似一個平面發(fā)射出去，只能在水平方向移動，而大規(guī)模MIMO，在信號水平維度空間的基礎上引入垂直維度的空域進行利用；(3)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可實現(xiàn)波束賦形，形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，從而使基站與UE (User Equipment，用戶設備或終端設備)之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，并隨用戶位置的不同而不同，將能量定向投放到用戶位置，相對傳統(tǒng)寬波束天線可提升信號覆蓋，同時降低小區(qū)間用戶干擾。

從圖1～圖3可以看出傳統(tǒng)基站天線與5G智能天線基站的波束覆蓋差異，實現(xiàn)這一技術(shù)關鍵是5G通信基站使用了智能天線和3D波束賦形技術(shù)，天線發(fā)射功率和發(fā)射方向可以隨著用戶需求調(diào)節(jié)，即基站天線的實際發(fā)射功率和發(fā)射方向都是隨著基站覆蓋范圍內(nèi)的業(yè)務終端的業(yè)務需求而改變的。當基站覆蓋范圍內(nèi)沒有終端業(yè)務需求時，基站是處在一個信號“廣播”狀態(tài)，會以一個很低的負載在基站的覆蓋范圍內(nèi)不斷的進行掃波，此時基站的實際發(fā)射功率很低；當基站在覆蓋范圍內(nèi)掃描到業(yè)務終端的業(yè)務需求時，基站天線會迅速與業(yè)務終端建立連接，并向有業(yè)務需求的每一個終端方向單獨發(fā)射電磁波信號，天線的實際發(fā)射功率與終端業(yè)務需求的類型直接相關。

圖1 傳統(tǒng)基站天線波束覆蓋示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna coverage of a traditional base station

圖2 5G智能天線基站廣播掃描覆蓋示意圖Fig.2 5G smart antenna base station broadcast scan coverage diagram

圖3 5G智能天線基站業(yè)務波束覆蓋示意圖Fig.3 5G smart antenna base station service beam coverage diagram

基站主要由室內(nèi)部分和室外部分組成: 室內(nèi)部分是指基站機房，里面放置了各種數(shù)據(jù)處理設備，一般位于單元樓頂層某間房屋內(nèi); 室外部分即基站天線，一般架設在樓頂面。機房設備與天線通過有線連接形成一個完整的基站; 基站通過架設在樓頂面的發(fā)射天線與用戶手機進行無線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)某休d方式，就是通過電磁波，也就是通常所稱的 “電磁輻射”[2]。對前幾代移動通信基站進行電磁輻射環(huán)境監(jiān)測時，只需要按照監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，在相應監(jiān)測點位上，使用儀器直接讀數(shù)的方式進行監(jiān)測。而對于5G通信基站，智能天線會根據(jù)業(yè)務終端所處位置不同、業(yè)務需求不同，來進行波束賦形，發(fā)射不同能量電磁波信號；5G通信基站在運行期間，其發(fā)射功率、天線增益等都隨時根據(jù)用戶情況進行動態(tài)調(diào)整。針對這些特點，現(xiàn)行的移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法已經(jīng)無法完全滿足5G通信基站電磁輻射環(huán)境的監(jiān)測，并且不能真實反映出5G移動通信基站電磁輻射水平。因此，我們開展了5G智能天線覆蓋區(qū)域有業(yè)務終端接入后，進行波束引導的監(jiān)測方式，進行電磁輻射實測研究。

1 方法及數(shù)據(jù)

1.1 監(jiān)測依據(jù)

《輻射環(huán)境保護管理導則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》HJ/T10.2-1996[3]；

《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》HJ972-2018[4]。

目前國內(nèi)外均沒有正式出臺過專門針對5G移動通信基站電磁輻射環(huán)境的監(jiān)測方法，故監(jiān)測依據(jù)僅作參考。

1.2 監(jiān)測條件

選作測試的5G通信基站基本情況：

(1)天線架設高度為11.7m(其中一個扇區(qū)天線)；

(2)基站所在樓頂主射方向無遮擋，最遠測量點位與天線面板水平距離為35m；

(3)基站設備：中興64T64R類型5G天線；

(4)工作頻段：3 400～3 500MHz，后臺功率170W；

(5)波束引導測試終端：中興5G手機。

1.3 監(jiān)測場景

1.3.1 第一次測量

在該5G基站發(fā)射天線64個天線陣子全部激活發(fā)射時，選取與基站間不同水平距離的點位進行，此時無業(yè)務終端接入；

1.3.2 第二次測量

在保持第一次測量時基站所處工況的條件下，引入業(yè)務終端進行波束引導得情況下開展，選取第一次測量相同點位，并使業(yè)務終端在距離監(jiān)測儀器探頭臨近的不同位置處，執(zhí)行下載數(shù)據(jù)業(yè)務(基站下行業(yè)務)，記錄點位測量數(shù)據(jù)。

1.4 監(jiān)測儀器

NBM550主機，EF1891綜合場強探頭，頻率范圍為3～18 000MHz，量程為 0.25～250V/m，該測量探頭能夠有效覆蓋被測量基站工作頻段；儀器由中國測試技術(shù)研究院校準，監(jiān)測時處于校準有效期內(nèi)；另外配有激光測距儀、皮尺、激光定位儀等輔助儀器。

1.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測時，分別在與被測量天線面板水平距離8m、15m、30m這3個位置按照上述監(jiān)測場景進行監(jiān)測后得到如下表數(shù)據(jù)。

表 測量數(shù)據(jù)Tab. Measured data

2 結(jié)果討論

根據(jù)圖4可以看出，可以看出，在無引導的情況下，測量值相對較低；當業(yè)務終端在同一測量點位臨近位置執(zhí)行下載業(yè)務時，測量值則大幅增加。

圖4 有終端接入及無終端接入情形下同一點位測量數(shù)據(jù)對比圖Fig.4 Comparison of measured data at the same point with and without terminal access

根據(jù)圖5～圖7可以看出，對于同一測量點位，當業(yè)務終端與該測量點位距離不同時，該點位的測量值也不同：

圖5 終端位于測量儀器前方1m和與終端重疊時測量數(shù)據(jù)對比圖Fig.5 Comparison chart of measured data when the terminal is located 1m in front of the measuring instrument and overlaps with the terminal

圖6 終端位于測量儀器前方1m和后方1m測量數(shù)據(jù)對比圖Fig.6 Comparison chart of measured data with the terminal located 1m in front and 1m behind the measuring instrument

圖7 終端位于測量儀器前方2m和后方2m測量數(shù)據(jù)對比圖Fig.7 Comparison chart of measured data with the terminal located 2m in front and 2m behind the measuring instrument

距離天線面板水平距離8m 的測量點位，終端與儀器所處位置相同時，測值為67V/m，終端在儀器前方1m時，測值為40V/m，終端在儀器后方1m時，測值為82V/m；距離天線面板水平距離15m 的測量點位，終端與儀器所處位置相同時，測值為16V/m，終端在儀器前方1m時，測值為19V/m，終端在儀器后方1m時，測值為25V/m；距離天線面板水平距離30m 的測量點位，終端與儀器所處位置相同時，測值為4.5V/m，終端在儀器前方1m時，測值為6.5V/m，終端在儀器后方1m時，測值為6.2V/m。

顯然，這一系列由業(yè)務終端帶來的測量數(shù)據(jù)變化也證明了5G天線的智能波束賦形功能的高效性。當業(yè)務終端位置稍有變化，天線指向業(yè)務終端的波束也就發(fā)生了變化，波束的變化帶來的直觀反映就是同一點位監(jiān)測數(shù)值的大幅變化。

3結(jié) 論

3.1 使用終端進行波束引導，在5G通信基站的監(jiān)測中，是非常必要的。

3.2 終端的引入，使5G通信基站的監(jiān)測復雜化，對環(huán)境的影響也比傳統(tǒng)基站復雜，有必要加強理論和實踐研究。特別是5G通信基站的監(jiān)測引入終端過后，終端與測量點位的位置關系及距離應該加以規(guī)范。

3.3 使用何種終端、終端使用通話業(yè)務、上行業(yè)務、下行業(yè)務、使用多少臺終端等條件才能客觀地反應出某一5G基站的電磁輻射水平，這需要進一步大量開展5G基站監(jiān)測工作，總結(jié)、修訂規(guī)范等研究工作。