1 引言

5G第五代移動通信技術(shù)是第四代（4G LTE）網(wǎng)絡的重大演進。5G旨在滿足現(xiàn)代社會在數(shù)據(jù)和連接方面的爆發(fā)式增長、擁有數(shù)十億連接設備的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及未來的創(chuàng)新。

在2019年8月召開的“5G網(wǎng)絡創(chuàng)新研討會”上，中國工程院院士鄔賀銓稱我國的居民對基站電磁輻射很關(guān)注，更有人認為5G基站更多、頻率更高，擔心電磁輻射更嚴重，這導致5G移動通信基站部署面臨選址困難的問題。5G建網(wǎng)將迎來井噴，據(jù)估計，2020年全國計劃新建5G基站總數(shù)或超80萬個，恰逢5G大力發(fā)展之際，公眾對5G基站電磁輻射產(chǎn)生了高度關(guān)注，各類關(guān)于5G基站輻射的說法甚囂塵上。

5G移動通信網(wǎng)絡的部署將見證現(xiàn)有第四代（4G）網(wǎng)絡的演進和擴展，以及毫米波段新無線接入網(wǎng)絡的引入。由于使用了更高的頻率范圍，基站的數(shù)量將大幅度增加。5G性能的實現(xiàn)，當然要靠新技術(shù)和更多的基礎設施。這就是頻率更高的毫米波技術(shù)和更密集的5G基站。也就是說，5G會使用更高通信頻率、基站會更多更密，幾乎隨處可見。新網(wǎng)絡將包括大量的基站單元和先進的天線技術(shù)。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線將允許使用非常窄的波束，這些波束將聚焦用戶，對基站周圍的電磁輻射水平產(chǎn)生不同于4G系統(tǒng)的影響。

本文希望就5G基站與射頻電磁輻射做一些有益地研討，以饗讀者。

2 國內(nèi)外射頻電磁場暴露限值

2.1 國外限值

5G系統(tǒng)將使用國際無線電保護標準組織規(guī)定的頻率，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）已經(jīng)制定了國際兩大主流（基站）電磁輻射技術(shù)標準：ICNIRP 1998導則和IEEE C95.1-2005：美國電氣與電子工程師學會標準，并根據(jù)5G頻率下的比吸收率（SAR）、電場和磁場強度以及功率密度確定了暴露限值。

ICNIRP 1998導則和IEEE C95.1-2005標準中的基本限值和暴露水平如表1所示。

表1 國際標準 ICNIRP 1998導則 和IEEE C95.1-2005限值

2.2 國內(nèi)限值

我國電磁輻射相關(guān)標準主要是參考IEEE和ICNIRP等機構(gòu)的標準，總體上比國際標準趨嚴。在射頻段，《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）是我國電磁輻射領(lǐng)域最基礎、最重要的標準，其標準限值如表2所示。

表2 《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）

《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）指出，通信頻段功率密度應≤ 47μW/cm2，美國這一標準為1 000μW/cm2，兩者相差了20倍?？紤]到基站信號會有相互疊加的水平出現(xiàn)，現(xiàn)在移動通信基站建設時執(zhí)行的都是國標五分之一的標準，即小于8μW/cm2。舉例：某國內(nèi)運營商5G的頻段為3.5 GHz，則滿足國標的電磁輻射限值為：（1）電場強度：≤13 V/m；（2）功率密度：≤ 47μW/cm2。

3 5G基站的射頻電磁場輻射

3.1 5G信號的生物電磁學研究

迄今為止，世界衛(wèi)生組織、歐盟新興和新發(fā)現(xiàn)健康風險科學委員會（SCENIHR）和國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）均得出結(jié)論：如果低于ICNIRP標準規(guī)定的限值，公眾與無線網(wǎng)絡及其使用相關(guān)的接觸不會對公眾健康造成不利影響。

射頻電磁場暴露在毫米波頻率下可能對人體健康產(chǎn)生的影響研究可以追溯到幾十年前，而且還在繼續(xù)。無害影響的觀點是建立在對手機頻率進行了大量科學研究的基礎上的。當前，對頻率高于24 GHz的生物學研究較少，一些國家計劃支持這一領(lǐng)域的生物學、流行病學和劑量學研究。在5G頻率范圍的具體研究方面，WHO的門戶網(wǎng)站列出了大約350項關(guān)于毫米波EMF健康相關(guān)的研究。對于5G技術(shù)的一些具體實現(xiàn)和影響，可能還需要進一步的研究。

3.2 國內(nèi)外5G頻段分布

（1）國外頻段分布

5G系統(tǒng)將使用更密集的網(wǎng)絡，擁有大量微型基站，本地化程度更接近用戶。在建筑物內(nèi)部，可能有許多室內(nèi)微型基站。在人口較少的地區(qū)，宏基站和微小區(qū)都將繼續(xù)部署，因此網(wǎng)絡將高度異構(gòu)。5G需要3個關(guān)鍵頻率范圍內(nèi)的頻譜，以提供廣泛的覆蓋范圍并支持所有計劃的服務：低于1 GHz、1～6 GHz和高于6 GHz。

①1 GHz以下將支持城市、郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的廣泛覆蓋，并通過更好的建筑覆蓋率幫助支持物聯(lián)網(wǎng)服務。

②1～6 GHz提供了覆蓋率和容量優(yōu)勢的完美結(jié)合。這包括3.3～3.8 GHz范圍內(nèi)的頻譜，有望構(gòu)成許多最初5G服務的基礎。

③要滿足5G計劃的超高寬帶速度，需要6 GHz以上的帶寬。重點將放在24 GHz以上的頻段。歐盟正在考慮26千兆赫頻段，美國已確定28千兆赫頻段為5G頻段。

低頻頻段f<6 GHz：5G的一些潛在頻段與已經(jīng)使用的移動技術(shù)的頻率相似。今天的第三代（3G）和4G移動技術(shù)通常在700 MHz和2.7 GHz之間的幾個頻段上運行。Wi-Fi在2.45和5 GHz下工作。這些波段將用于覆蓋范圍和容量。

雖然5G網(wǎng)絡可以部署在700 MHz并提供全國覆蓋，但由于其技術(shù)特性（廣泛的地域范圍、建筑物和其他障礙物的良好滲透），信道帶寬可能會將數(shù)據(jù)速率限制在50 Mbit/s至10 Mbit/s，這個頻段應該是新的數(shù)字服務的理想選擇，這些服務依賴于非常好的覆蓋范圍（例如，車聯(lián)網(wǎng)），并且已經(jīng)用于4G和4G+。

3.6 GHz左右的頻譜在密集的城市地區(qū)提供了增強的容量，根據(jù)可用的射頻信道寬度，可能提供1 Gbit/s。許多國家已經(jīng)在這一頻段開展了工作，并在部署5G之前進行了新型天線的試驗。

高頻段f>24 GHz（毫米波）：更高的頻率，如24～86 GHz，目前主要用于衛(wèi)星和點對點無線電鏈路。毫米波頻率范圍對于5G移動系統(tǒng)應用特別重要。它們將使系統(tǒng)容量大幅度增加，至少作為補充頻段。目前正在研究將其用于短距離區(qū)域和室內(nèi)應用。

在毫米波頻率下，射頻能量被身體表面吸收，大部分被皮膚吸收。毫米波頻率將與增加的小單元部署一起使用，一些研究已經(jīng)開展。所有的實驗和未來網(wǎng)絡的部署都使用現(xiàn)有標準中已經(jīng)提到的頻率。

（2）國內(nèi)分布

國內(nèi)5G頻段大致分為兩段：① 低頻段的Sub 6G（FR1：450 MHz-6 GHz）；② 高頻段的毫米波（FR2：24 250 MHz-52 600 MHz）。

Sub 6G頻段就是6 GHz以下頻段，相對毫米波頻率更低，是常規(guī)的無線通信頻段。目前工信部給三大運營商分配的試商用頻段如下：

中國移動：2 515～675 MHz、4 800～4 900 MHz，兩段共260 M；

中國電信：3 400～3 500 MHz，共100 M；

中國聯(lián)通：3 500～3 600 MHz，共100 M。

中國電信與中國聯(lián)通共建共享以后，雙方的頻譜資源有望整合共享提供服務。

3.3 5G射頻電磁場暴露評估

5G技術(shù)的電磁暴露評估可使用計算和測量方法進行。國際標準化組織（IEC、ITU、IEEE和CENELEC）已經(jīng)制定并更新了相關(guān)限值的符合性標準。

①[IEC 62232]將頻帶擴展到100 GHz。

②[IEC TR 62669]包含支持[IEC 62232]中5G合規(guī)性評估的案例研究。

3.4 5G部署的預期射頻電磁場暴露水平

5G新技術(shù)帶來了許多優(yōu)勢，但也可能引發(fā)公眾對射頻電磁場暴露的質(zhì)疑。重要的是要解決這些問題，并提供可能的電磁輻射暴露水平。5G網(wǎng)絡是專門為最小化發(fā)射機功率而設計的，采用了全新的天線和核心架構(gòu)，非常高效，傳輸最小化，從而降低了電磁輻射水平?；局髟O備由BBU和AAU組成。BBU主要負責基帶數(shù)字信號處理，比如FFT / IFFT，調(diào)制/解調(diào)、信道編碼/解碼等。AAU主要由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）、RF（射頻單元）、PA（功放）和天線等部分組成，主要負責將基帶數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號，再調(diào)制成高頻射頻信號，然后通過PA放大至足夠功率后，由天線發(fā)射出去。

5G使得手機上的天線設計越來越復雜，尤其是在5G高頻的毫米波頻段，此時連機身背蓋材質(zhì)的選用，甚至是背蓋的厚度，及背蓋到毫米波天線陣列的距離也要進行設計與優(yōu)化，以達到整體的輻射性能最優(yōu)。同時，5G毫米波對功率放大器的效率、射頻器件的集成度都提出了更高的要求，無線信號的整體水平可能會有小幅度的局部提高?；谥盁o線技術(shù)的轉(zhuǎn)變，我們可以預期，5G部署的預期射頻電磁場總體暴露水平將與4G網(wǎng)絡保持大體相當，并將遠低于國際標準規(guī)定的電磁輻射限值。

3.5 MIMO天線的射頻電磁場暴露

5G部署將廣泛地使用具有多個天線單元陣列的“大規(guī)?！倍噍斎攵噍敵觯∕IMO）智能天線來同時發(fā)送和接收更多數(shù)據(jù)。對用戶的好處是，更多的人可以同時連接到網(wǎng)絡并以更有效的方式保持高吞吐量。智能天線將有可能僅在用戶的方向和使用期間傳輸所需的數(shù)據(jù)。5G技術(shù)與智能天線將更有效降低最小的射頻電磁場暴露。波束賦形將天線波束聚焦在所需方向，有利于減少網(wǎng)絡干擾和非預期方向的電磁發(fā)射。

此外，[IEC TR 62669]和[ITU-T K-Sup.16]規(guī)定了基于實際最大發(fā)射的等效全向輻射功率(EIRP)（直接或從最大發(fā)射功率導出）的射頻暴露評估方法，同樣適用于具有大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的基站，同時考慮到國際暴露限值中定義的時間平均。

5G基站的波束成形技術(shù)，采用三個扇面，每個扇面覆蓋120°，采用MIMO波束成形技術(shù)，波束發(fā)射方向可調(diào)，方向取決于業(yè)務方向?？梢愿鶕?jù)需求設置為多個波束，如2波束、4波束甚至8波束。波束在垂直方向上的可調(diào)，與水平面夾角可調(diào)節(jié)范圍可能是5°～ 30°，在基站下方，過了波束可調(diào)范圍電磁輻射測量值會變小。

3.6 輻射安全距離

輻射安全距離又稱為符合性邊界，是天線周圍的區(qū)域，在該區(qū)域之外，EMF水平處于或低于限值，并且公眾無法進入。這些區(qū)域通常位于城市或郊區(qū)屋頂天線周圍。它們的形狀和尺寸可使用適當?shù)墓ぞ哌M行協(xié)調(diào)和計算，同時考慮到天線頻率和輻射最大功率。

需要注意，并非所有天線都具有物理“符合性邊界”。例如，通信桿塔上的那些，特別是在農(nóng)村地區(qū)，不需要任何物理邊界，因為一般公眾無法進入該區(qū)域。此外，一些其他發(fā)射機沒有任何符合性邊界，因為發(fā)射功率很低，是豁免的。

4 應用場景舉例

4.1 5G小站

5G時代，隨著業(yè)務多樣化的出現(xiàn)，用戶對流量需求的提高，小站密集組網(wǎng)將成為解決這些問題的重要手段。5G網(wǎng)絡將依賴一個由宏站和小站組成的異構(gòu)網(wǎng)絡，以確保容量。5G擁有更大帶寬、更多通道數(shù)、更分散的頻率，從而對5G小站實現(xiàn)難度大幅升級，另外隨著物業(yè)談判的難度增加，電源和光纖的引入難度越來越高，5G小站密集組網(wǎng)對小站隱蔽性提出了更高的需求。

小站天線是低功率接入點（例如，根據(jù)3GPP定義，每個天線端口的發(fā)射機輸入功率小于6 W的基站）。在接下來的幾年里，這些小站天線的安裝將在移動網(wǎng)絡中成倍增加，在密集的城市地區(qū)迅速向每個宏站搭配10個小站的方向發(fā)展。

小站非常適合覆蓋范圍和容量問題。它們與用戶的接近性使它們能夠提供更好的質(zhì)量，并減少手機的輻射功率。對于移動用戶來說，通過減少手機和基站天線之間的距離，小站可以減少手機發(fā)出的功率和總的電磁輻射。

室外的小站經(jīng)常帶有偽裝，幾乎可以安裝在任何類型的建筑內(nèi)。與宏站相比，它們的電磁輻射較低，這使得它們的電磁輻射安全距離非常小，不需要任何安全規(guī)定。

微小區(qū)的推出是5G成功的關(guān)鍵，在3.6 GHz頻段5G會有很多微小區(qū)，在f>24 GHz的更高頻段會有更多小區(qū)帶來數(shù)據(jù)容量。

[IEC 62232]和[ITU-T K.100]規(guī)定了基站符合電磁輻射限值的安裝等級，適用于根據(jù)國際指南（ICNIRP）在有暴露限值的國家部署的小站。每個安裝等級包括簡單的標準，如所有設備的EIRP或現(xiàn)場的安裝高度。

低功率的5G小站設備（安裝等級E0）可以安裝在任何地方（如住宅小區(qū)），非常像WLAN設備。對于高功率5G小站設備，則必須考慮制造商規(guī)范、最低高度要求和安全距離。這些現(xiàn)場設計參數(shù)通常在產(chǎn)品技術(shù)文件中提供。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)涉及通過多個固定和無線網(wǎng)絡連接到互聯(lián)網(wǎng)的多臺機器、設備和設備的協(xié)調(diào)。其中包括日常物品，例如傳感器、可穿戴設備、車輛、建筑物、執(zhí)行器和監(jiān)視器，嵌入物聯(lián)網(wǎng)連接，允許它們發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。一些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，需要廣泛的地理或良好的建筑覆蓋率，將主要實施在較低的頻段。

因為物聯(lián)網(wǎng)設備是非常低的功率和間歇性傳輸，其射頻電磁場暴露水平不應該有明顯的變化。低功耗等能源問題是物聯(lián)網(wǎng)設備的核心問題，因此物聯(lián)網(wǎng)設備引起的電磁輻射暴露通常比其他設備和系統(tǒng)要低得多。此外，物聯(lián)網(wǎng)設備將以基于事件、周期性和自動通信模式進行通信。因此，通常要交換的數(shù)據(jù)量是非常小且周期性的。可穿戴設備將位于離人體非常近的位置，但由于它們功率低，傳輸持續(xù)時間短，射頻電磁場暴露將非常低。依據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014），等效輻射功率低于100 W的物聯(lián)網(wǎng)（可穿戴）設備，免于電磁環(huán)境管理和電磁輻射測試，意味著它們肯定符合射頻電磁場暴露限值，其他可穿戴設備將采用國際技術(shù)標準進行測試。

5 小結(jié)

5G基站相關(guān)的射頻電磁輻射關(guān)鍵信息小結(jié)如下：

①現(xiàn)有的《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）不針對特定技術(shù)，適用于5G基站電磁輻射限值；

②5G宏基站周邊的電磁輻射水平遠低于ICNIRP標準規(guī)定的限值，不會對公眾健康造成不利影響；

③5G小站電磁輻射水平及電磁輻射特性不會與現(xiàn)有Wi-Fi有顯著差異；

④依據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014），等效輻射功率低于100 W的5G小站和物聯(lián)網(wǎng)（可穿戴）設備，免于電磁環(huán)境管理。

社會公眾對5G新技術(shù)可能帶來的電磁輻射影響的關(guān)注程度無法預料，此前3G和4G移動通信的部署已經(jīng)引起了一些國家和民眾的焦慮；近年來，消費者對移動通信天線的存在越來越習以為常，移動通信設備的使用也無處不在。本文對5G基站及其電磁輻射水平作了一些粗淺的介紹和探討，希望推動新的5G技術(shù)和人類接觸射頻電磁波的相關(guān)電磁輻射研究和科普宣傳。