［羅森文 魯娜 王華剛 陳少川］

1 引言

第五代（5G）移動(dòng)通信具有大帶寬、低時(shí)延、海量連接等特點(diǎn)，是新一代信息技術(shù)的發(fā)展方向和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，得到了各國(guó)高度重視和大力發(fā)展。到2021 年底，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商將累計(jì)建成超過(guò)130 萬(wàn)個(gè)5G（Sub 6G）基站（含電信聯(lián)通共建共享5G 基站），5G 終端連接數(shù)將突破3 億，繼續(xù)推進(jìn)5G 更好賦能千行百業(yè)。

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(gè)5G 宏站在城市中心區(qū)域的覆蓋半徑約在300～500 m、郊區(qū)大概500～1 000 m、農(nóng)村1 000～2 000 m，而單個(gè)4G 宏站覆蓋半徑可以到1 000～3 500 m。為了確保同樣覆蓋質(zhì)量，在城市中心區(qū)域的5G 基站數(shù)則要比4G 多3～5 倍。面對(duì)5G基站數(shù)量的激增，5G的電磁輻射也成為了當(dāng)前全社會(huì)非常關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一。特別是針對(duì)社會(huì)上有關(guān)5G 輻射超標(biāo)和影響健康的各種傳言，公眾迫切需要認(rèn)識(shí)與了解5G 電磁輻射真相。

本文從5G（Sub 6G）輻射技術(shù)特點(diǎn)、國(guó)際國(guó)內(nèi)5G輻射限值標(biāo)準(zhǔn)要求、商用5G 外場(chǎng)輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果等方面，就5G 電磁輻射安全限值的符合性進(jìn)行探究。

2 5G mMIMO 基站輻射技術(shù)特點(diǎn)

2.1 5G 波束發(fā)射的指向性

5G 之所以比4G 具有優(yōu)勢(shì)，很重要一個(gè)因素是5G 演進(jìn)中使用了Massive MIMO（mMIMO：超大規(guī)模輸入輸出天線陣列）和3D 波束賦形（Beam-Forming）等關(guān)鍵技術(shù)，5G 由4G 固定端口功率與定向天線的電磁輻射模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩綦S動(dòng)的窄波束模式，即5G 天線的實(shí)際發(fā)射功率和天線波束方向都是隨著基站覆蓋范圍內(nèi)小區(qū)用戶的業(yè)務(wù)需求空間分布而變化的。與傳統(tǒng)的扇區(qū)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(chǎn)生高增益的窄波束（波束寬度，高達(dá)24～25 dBi或更高增益），波束具有很強(qiáng)的指向性，使基站發(fā)射的射頻信號(hào)功率在特定方向上更加集中,以便更好地將射頻能量對(duì)準(zhǔn)用戶，提高了信噪比，最大限度地減少來(lái)自相鄰用戶的干擾，提高整體信道流量傳輸性能。

2.2 5G 業(yè)務(wù)需求與波束輻射強(qiáng)度關(guān)系

當(dāng)5G 基站覆蓋范圍內(nèi)用戶沒(méi)有業(yè)務(wù)需求時(shí)，基站是處在一個(gè)信號(hào)“廣播”狀態(tài)，在基站的覆蓋范圍內(nèi)不斷進(jìn)行用戶搜尋，此時(shí)基站的實(shí)際發(fā)射功率很低。當(dāng)5G 基站在覆蓋范圍內(nèi)用戶業(yè)務(wù)需求量增加時(shí)，基站與終端用戶建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)連接，基站執(zhí)行上、下行通信，基站的實(shí)際輸出功率大小與小區(qū)內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)需求類型（即應(yīng)用場(chǎng)景，如：數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、游戲娛樂(lè)、虛擬購(gòu)物、智慧醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用、車(chē)輛網(wǎng)等）直接相關(guān)，即5G 電磁輻射強(qiáng)度與數(shù)據(jù)下行速率顯著相關(guān)。此外，多用戶mMIMO 技術(shù)可以通過(guò)使用多個(gè)波束如2 波束、4 波束或8 波束，同時(shí)針對(duì)多個(gè)空間分離的用戶，從而提高業(yè)務(wù)吞吐量并減小時(shí)間延遲。當(dāng)一個(gè)基站同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)時(shí)，發(fā)射機(jī)的功率被分配到不同的方向，此時(shí)指向用戶的波束輻射強(qiáng)度將下降。

總之，5G Massive MIMO 基站的發(fā)射信號(hào)在頻域、時(shí)域、空域都具有非確定性。頻域和時(shí)域方面，只有5G用戶有業(yè)務(wù)需求時(shí)被調(diào)度到的PRB（（Physical Resource Block））才有實(shí)際射頻發(fā)射信號(hào)，且射頻輻射強(qiáng)度與用戶數(shù)據(jù)下行速率較強(qiáng)相關(guān)?？沼蚍矫妫琈assive MIMO 波束賦形的發(fā)射信號(hào)具有用戶隨動(dòng)的空域定向性（指向性）。

3 國(guó)際/國(guó)內(nèi)5G 輻射限值標(biāo)準(zhǔn)要求

3.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)際上有兩大主流的射頻電磁場(chǎng)輻射限值標(biāo)準(zhǔn)：ICNIRP 標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5G 通信頻段的要求公眾暴露環(huán)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(dǎo)則

ICNIRP 2020 導(dǎo)則是國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，也是WHO（世界衛(wèi)生組織）推薦的標(biāo)準(zhǔn)。主要使用國(guó)家：歐洲主要國(guó)家、澳大利亞、新加坡、巴西、以色列以及我國(guó)的香港特區(qū)等，而意大利、盧森堡、瑞士、比利時(shí)、俄羅斯等則使用了比ICNIRP2020 標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)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(chǎng)曝露的ICNIRP 導(dǎo)則》，規(guī)定了職業(yè)暴露和公眾暴露的限值要求，如表1 所示。

表1 ICNIRP 2020 導(dǎo)則一般公眾暴露（全身）的導(dǎo)出限值要求

3.1.2 IEEE C95.1-2019 標(biāo)準(zhǔn)

IEEE C95.1-2019 是美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric,Magnetic,and Electromagnetic Fields,0 Hz to 300 GHz》：《關(guān)于人體曝露在0 Hz～300 GHz 電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的安全水平標(biāo)準(zhǔn)》（C95.1-2019）對(duì)公眾區(qū)限值 。主要使用國(guó)家：美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等，如表2 所示。

表2 IEEE C95.1-2019 公眾區(qū)電磁場(chǎng)最大容許暴露水平

3.2 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求

3.2.1 限值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)電磁輻射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要是參考IEEE、ICNIRP、IEC 等機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，總體上比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)。在射頻段，我國(guó)電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀如表3 所示。

表3 我國(guó)射頻電磁輻射技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

其中《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）是我國(guó)電磁輻射領(lǐng)域最基礎(chǔ)、最重要的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)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(yùn)營(yíng)商5G 電磁輻射限值要求

根據(jù)表4 射頻段公眾暴露控制限值要求，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)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(guó)三大運(yùn)營(yíng)商5G（Sub 6G）電磁輻射限值要求

3.2.3 國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的輻射限值對(duì)比

通過(guò)上述表1、表2、表4 和表5 可以看出，我國(guó)GB 8702～2014 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定三大運(yùn)營(yíng)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(guó)家普遍采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ICNIRP-2020 和IEEE C95.1～2019 規(guī)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(guó)的5G（Sub 6G）基站輻射限值比大都國(guó)家采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)限值嚴(yán)酷了15～20 倍。

當(dāng)然，也有少數(shù)國(guó)家的5G 輻射限值比我國(guó)嚴(yán)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(guó)嚴(yán)苛4～10 倍，比歐美大部分國(guó)家嚴(yán)苛100～200 倍。不過(guò)，目前波蘭等國(guó)家已放寬至1 000 μW/cm2。

通過(guò)上述輻射限值對(duì)比，不同國(guó)家/地區(qū)的電磁輻射安全管制要求差異非常大，也可以說(shuō)明電磁輻射功率對(duì)公共環(huán)境與公眾健康的實(shí)際影響，目前全球尚未有公認(rèn)的統(tǒng)一確定標(biāo)準(zhǔn)。通信射頻電磁輻射屬于非電離輻射，低強(qiáng)度微波電磁輻射長(zhǎng)期暴露是否能引起肌體的健康危害尚存在一定的爭(zhēng)議。

不過(guò)，事實(shí)上移動(dòng)基站從1G 到2G、3G、4G 近40年來(lái)，國(guó)際一直有不少機(jī)構(gòu)如：世界衛(wèi)生組織（WHO）、國(guó)際癌癥研究中心（IARC）以及我國(guó)科技部“973”項(xiàng)目《電磁輻射危害健康的機(jī)理及醫(yī)學(xué)防護(hù)的基礎(chǔ)研究》（2011 年）等，對(duì)移動(dòng)通信的射頻電磁輻射（弱物理因素）公眾暴露引發(fā)的健康效應(yīng)進(jìn)行了較長(zhǎng)期的系統(tǒng)研究，目前還尚無(wú)確定性的研究結(jié)論、也沒(méi)有實(shí)際的案例可以證明基站輻射對(duì)公眾暴露產(chǎn)生確定性的健康影響。ICNIRP 和WHO 規(guī)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(chǎng)健康效應(yīng)的長(zhǎng)期研究尚未發(fā)現(xiàn)有確定性的健康影響而得出的一個(gè)安全限值。

4 商用5G 外場(chǎng)輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

前述提到了5G 天線的實(shí)際發(fā)射功率與天線波束方向都是用戶隨動(dòng)且與務(wù)需求強(qiáng)相關(guān)，5G 輻射問(wèn)題也只有考慮在業(yè)務(wù)需求場(chǎng)景下才有實(shí)際意義，非業(yè)務(wù)場(chǎng)景下（廣播狀態(tài)）的5G 因天線發(fā)射功率比較低通常無(wú)需考慮輻射問(wèn)題。

4.1 監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景與監(jiān)測(cè)依據(jù)

5G（Sub 6G）的主要應(yīng)用有eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、uRLLC（超高可靠與低延遲通信）、mMTC（海量機(jī)器類通信）等三大類業(yè)務(wù)場(chǎng)景，具體包括：數(shù)據(jù)傳輸、視頻交互、游戲娛樂(lè)、虛擬購(gòu)物、智慧醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用和車(chē)聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)目的選擇不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文重點(diǎn)在探討5G 電磁輻射安全的符合性，監(jiān)測(cè)商用5G 外場(chǎng)的電磁輻射水平情況無(wú)疑是最有說(shuō)服力的實(shí)踐，而5G 最廣泛和最典型的應(yīng)用場(chǎng)景是eMBB，其中又以下行速率達(dá)1～1.2 Gbit/s的高速下載方式為5G 電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)的最嚴(yán)酷加載應(yīng)用場(chǎng)景。

依據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部制定的HJ 1151-2020《5G 通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法（試行）》以及GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》等強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)電信研究院2020 年對(duì)現(xiàn)網(wǎng)各種5G 基站（含5G 共享基站）的外場(chǎng)電磁輻射水平進(jìn)行了抽測(cè)。

4.2 eMBB 監(jiān)測(cè)結(jié)果

在5G 單用戶或多用戶同一方向上，根據(jù)5G 基站各種現(xiàn)網(wǎng)配置模式，持續(xù)6 分鐘高速加載業(yè)務(wù)（下行速率600 Mbit/s～1.2 Gbit/s）的嚴(yán)酷應(yīng)用場(chǎng)景下，以基站天線為圓心、半徑為約26～160 m的環(huán)境敏感區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)了5G 天線法線方向上（波瓣/波束寬度覆蓋范圍內(nèi)）的電磁輻射劑量（功率密度）。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明eMBB 應(yīng)用場(chǎng)景下不同的下行速率，對(duì)監(jiān)測(cè)讀數(shù)影響較大，通常下行速率越大則敏感區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)輻射數(shù)值也越大。天線覆蓋的敏感區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到的輻射最大值不超過(guò)21 μW/cm2（功率密度，6 分鐘平均值），遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702-2014 規(guī)定的不超過(guò)47 μW/cm2（頻段3.4～3.5 GHz）限值要求，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ICNIRP和世衛(wèi)WHO所規(guī)定的不超過(guò)1 000 μW/cm2限值要求。

需說(shuō)明的是，盡管5G 電磁輻射摸底監(jiān)測(cè)來(lái)源于實(shí)際的商用現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行的，但現(xiàn)網(wǎng)5G 基站數(shù)量龐大，安裝環(huán)境十分復(fù)雜，不僅架設(shè)高度、天線下傾角都有不同，基站覆蓋范圍內(nèi)還存在建筑物遮擋、反射、繞射等影響，摸底監(jiān)測(cè)樣本難于兼顧基站所有安裝場(chǎng)景。因此，在樣本基站選擇中，考慮了密集商業(yè)區(qū)、城市居民區(qū)、郊區(qū)等三種不同的典型建站環(huán)境，來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境敏感區(qū)域的5G 電磁輻射水平，確保了監(jiān)測(cè)選點(diǎn)具有較好的代表性和普遍性。此外，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)在5G 基站天線下傾角及天線波瓣寬度覆蓋范圍內(nèi)的電磁環(huán)境敏感目標(biāo)處，避免由于監(jiān)測(cè)布點(diǎn)不規(guī)范而導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果差異過(guò)大問(wèn)題，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性和客觀性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了5G mMIMO 波束賦形具有的波束指向性、用戶隨動(dòng)特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)需求與波束輻射強(qiáng)度的關(guān)系，同時(shí)對(duì)比了國(guó)際國(guó)內(nèi)5G 輻射限值標(biāo)準(zhǔn)要求，并根據(jù)HJ 1151-2020《5G 通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法（試行）》，分析了eMBB 應(yīng)用場(chǎng)景下的5G 商用現(xiàn)網(wǎng)外場(chǎng)的電磁輻射水平結(jié)果，對(duì)5G 電磁輻射的安全符合性進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為5G（Sub 6G）電磁輻射水平整體上符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》要求。今后對(duì)于密集城區(qū)/居民區(qū)處的5G 基站選址時(shí)，做到科學(xué)規(guī)劃和合理設(shè)站，同時(shí)加強(qiáng)建站前的電磁輻射影響預(yù)評(píng)估以及建成投入運(yùn)行前的監(jiān)測(cè)，5G 電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)可以得到有效管控，天線覆蓋范圍內(nèi)敏感區(qū)域的輻射水平將有效控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8702的限值之下，因此，公眾無(wú)需對(duì)5G（Sub 6G）基站的電磁輻射感到擔(dān)憂。

最后希望通過(guò)本文的介紹，能有助于公眾消除對(duì)5G電磁輻射問(wèn)題的誤解與顧慮，促進(jìn)公眾進(jìn)一步加深認(rèn)識(shí)5G、理解5G、擁抱5G，并支持5G的建設(shè)發(fā)展，推動(dòng)打造一張綠色環(huán)保、百姓放心的高質(zhì)量5G 網(wǎng)絡(luò)。