［羅森文］

1 引言

2021 年全球5G 商業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入到了新高度，截止到2021 年底，我國通信運(yùn)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(shè)將會達(dá)到高潮，而5G 的電磁輻射又備受各方關(guān)注，如何客觀評估5G 電磁輻射的影響面臨很大挑戰(zhàn)，因此采取一種合理、科學(xué)的監(jiān)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(tǒng)的2G/3G/4G 約120°波束寬度的扇區(qū)天線相比，因5G 采用了mMIMO（Massive MIMO：超大規(guī)模輸入輸出天線陣列）等新技術(shù)，5G mMIMO 天線可以產(chǎn)生增益更高（如25 dBi）、寬帶更窄（如5～30°）和指向性更強(qiáng)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(jī)理明顯有別于傳統(tǒng)的2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)制式，因此，5G 的電磁輻射監(jiān)測方法應(yīng)符合5G 的輻射技術(shù)特點，需要與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法進(jìn)行對比測試分析與研究。

本文對比分析了電磁輻射選頻監(jiān)測和非選頻監(jiān)測的技術(shù)特點與應(yīng)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(jìn)行了5G電磁輻射監(jiān)測案例對比測試實踐，研究了選頻和非選頻測試結(jié)果與國家電磁輻射限值要求的符合度，同時探討了選頻監(jiān)測模式下，5 分鐘平均功率密度指標(biāo)作為5G 電磁輻射環(huán)境質(zhì)量評估的必要性和重要性。

2 選頻與非選頻監(jiān)測的技術(shù)分析與應(yīng)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(jiān)測有非選頻式的寬帶監(jiān)測、選頻式監(jiān)測等兩種方法，這兩種監(jiān)測方法的監(jiān)測因子均為射頻電磁場，監(jiān)測參數(shù)通常為功率密度或電場強(qiáng)度。針對上述不同網(wǎng)絡(luò)制式的基站輻射特點，我國也制定了相應(yīng)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 通信基站電磁輻射監(jiān)測方法的技術(shù)特點分析

（1）隨著2G 通信在我國的快速發(fā)展，早在2007 年3G 建設(shè)開始之間，為規(guī)范和加強(qiáng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測工作，根據(jù)當(dāng)時的《電磁輻射環(huán)境保護(hù)管理辦法》及有關(guān)電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，原國家環(huán)保總局和原信息產(chǎn)業(yè)部聯(lián)合制定了《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》（環(huán)發(fā)〔2007〕114 號），該方法適用于工作頻率范圍在110 MHz～40 000 MHz 內(nèi)的基站電磁輻射監(jiān)測，對移動基站監(jiān)測采取非選頻式寬帶輻射測量儀，需要了解各個發(fā)射源的輻射貢獻(xiàn)時，則采用選頻式輻射測試儀。

（2）2008-2017 年間，從3G 逐步發(fā)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展，為加強(qiáng)基站電磁環(huán)境保護(hù)頂層設(shè)計，完善國家電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系，防治通信基站的電磁輻射環(huán)境影響，2018 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了HJ 972-2018《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》，同時廢止了環(huán)發(fā)〔2007〕114 號文。由于2G、3G、4G 等的輻射技術(shù)特點本質(zhì)上差異不大，主要是以固定端口發(fā)射功率，端口數(shù)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(fā)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(qū)分2G或3G、4G 的監(jiān)測方法，HJ 972-2018 規(guī)定的方法適用于2G、3G、4G 等網(wǎng)絡(luò)制式的電磁輻射監(jiān)測。

（3）2019 年6 月，我國開始了5G 網(wǎng)絡(luò)的正式建設(shè)，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(shù)，波束賦形能力得到了極大增強(qiáng),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(yè)務(wù)需求而動的窄電磁波束，同時5G 的電磁波工作頻率和發(fā)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(shù)特點，為規(guī)范5G 電磁輻射環(huán)境監(jiān)測，非常有必要新制定適用于5G的監(jiān)測方法，否則對評估5G 電磁環(huán)境質(zhì)量是否符合國家限值標(biāo)準(zhǔn)要求帶來很大的挑戰(zhàn)。

為此，2020 年12 月生態(tài)環(huán)境部制定并發(fā)布了針對5G監(jiān)測的新標(biāo)準(zhǔn)HJ1151-2020《5G 移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法（試行）》，適用于5G 及與其他網(wǎng)絡(luò)制式共址的基站監(jiān)測，于2021 年3 月開始正式實施。

2.2 非5G 基站的監(jiān)測

根據(jù)HJ 972 的規(guī)定，對于2G/3G/4G 等非5G 基站的監(jiān)測，通常應(yīng)先使用非選頻模式（即寬頻模式）進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果作為該物理站址中的被監(jiān)測點的電磁輻射值。鑒于選頻式寬帶測量實際結(jié)果是，若監(jiān)測結(jié)果超出HJ/T10.3規(guī)定對單個項目的評價標(biāo)準(zhǔn)時，即超過GB 8702 規(guī)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(jìn)行選頻測量，測試該點位在基站發(fā)射頻段范圍內(nèi)的功率密度值，以分析同一物理站址中不同網(wǎng)絡(luò)制式基站天線的電磁輻射貢獻(xiàn)量。

2.3 5G 基站或含有5G 共址站點的監(jiān)測

根據(jù)HJ 1151 的規(guī)定，5G 基站監(jiān)測應(yīng)使用選頻式的電磁輻射監(jiān)測儀，測頻率范圍應(yīng)包含被測5G 基站發(fā)射天線工作狀態(tài)時的下行發(fā)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(xiàn)量，非選頻監(jiān)測到的是監(jiān)測儀表天線頻段內(nèi)（如100 kHz-6 000 MHz）總的綜合場強(qiáng)數(shù)據(jù)，無法與國際或國家限值標(biāo)準(zhǔn)GB8702 形成不同頻率對應(yīng)不同限值的限值要求關(guān)系?？紤]到GB8702的輻射限值是根據(jù)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(yīng)不同的限值要求，非選頻式寬帶監(jiān)測的天線探頭無法對30～6 000 MHz 進(jìn)行頻率細(xì)分,因此，也無法準(zhǔn)確判斷多種制式共址時單個5G 基站電磁環(huán)境質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。

選頻監(jiān)測則能夠在天線頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，對監(jiān)測頻率范圍進(jìn)行按需設(shè)置，可以同時監(jiān)測到不同頻率的電磁輻射貢獻(xiàn)的頻譜分布情況，能夠準(zhǔn)確反映被測基站工作頻段的電磁輻射環(huán)境貢獻(xiàn)值，從而準(zhǔn)確判斷被測基站的電磁輻射環(huán)境質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。

3 我國對5G 通信基站電磁輻射限值規(guī)定

3.1 國家限值標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況

關(guān)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(hù)規(guī)定》（GB 8702-88）和《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9175-88）兩項國家標(biāo)準(zhǔn)，目的為防止電磁輻射污染、保護(hù)環(huán)境、保障公眾健康，促進(jìn)伴有電磁輻射的正當(dāng)實踐，如移動通信建設(shè)。隨著《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和生態(tài)文明建設(shè)的逐步實施，為更好滿足人們對美好電磁生態(tài)環(huán)境的需求，在參考國際非電離輻射防護(hù)委員會（ICNIRP）和電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）相關(guān)電磁輻射限值標(biāo)準(zhǔn)情況下，結(jié)合國內(nèi)電磁環(huán)境保護(hù)工作實踐，我國又于2014 年整合修訂了上述兩項國家標(biāo)準(zhǔn)為《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）。

在滿足GB8702-2014 標(biāo)準(zhǔn)限值的前提下，鼓勵產(chǎn)生電場、磁場、電磁場設(shè)施（設(shè)備）的所有者（如通信運(yùn)營商）遵循預(yù)防原則，積極采取有效措施，降低公眾曝露輻射風(fēng)險。同時標(biāo)準(zhǔn)的整合也有利于完善我國電磁環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系，有利于產(chǎn)生電磁污染相關(guān)行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，并為電磁環(huán)境投訴處理提供權(quán)威判斷依據(jù)。

3.2 通信運(yùn)營商5G 電磁輻射限值要求

表1 是根據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）導(dǎo)出的我國主要運(yùn)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(yùn)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(yīng)用監(jiān)測案例實踐與結(jié)果分析

根據(jù)前述對選頻和非選頻監(jiān)測方法的不同技術(shù)特點分析，為了明確與區(qū)分這兩種方法用于5G 的電磁輻射監(jiān)測將帶來極大的結(jié)果差異，本文通過監(jiān)測現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的5G 基站案例進(jìn)行測試驗證。

4.1 監(jiān)測儀表電性能要求

衡量電磁輻射監(jiān)測儀表的關(guān)鍵性能參數(shù)通常有頻率響應(yīng)、各向同性和動態(tài)范圍等三項，其中頻率響應(yīng)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(jiān)測儀具有頻譜分析能力，可以逐個頻點校準(zhǔn)（不同頻率使用不同天線因子）來改善天線的頻率響應(yīng)。同時，選頻監(jiān)測不同頻率的測量值均有明確對應(yīng)的控制限值，可以準(zhǔn)確判斷被測5G 基站電磁輻射水平的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)要求。

而對于非選頻監(jiān)測儀表電性能參數(shù)主要有頻率響應(yīng)、動態(tài)范圍和各項同性等。

選頻式和非選頻式的輻射監(jiān)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(jiān)測儀電性能基本要求

4.2 被測5G 基站與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求

處于正常運(yùn)行的5G 室外現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好，確保5G 網(wǎng)絡(luò)可以連接到測試用終端（UE），并保證通過5G 終端發(fā)起業(yè)務(wù)需求時，5G 網(wǎng)絡(luò)可以提供持續(xù)的下行業(yè)務(wù)流量，且下行速率最高應(yīng)能達(dá)到1 200 Mbit/s。

4.3 監(jiān)測實踐

4.3.1 測試流程

（1）業(yè)務(wù)加載方式：準(zhǔn)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(yè)務(wù)加載，每持續(xù)10～15 s，各終端通過SpeedtestAPP輪循模擬不間斷業(yè)務(wù)加載。

（2）終端布點：根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，進(jìn)行終端現(xiàn)場布點選擇，離基站距離在30～200 m 范圍內(nèi)選擇布點。

（3）監(jiān)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(nèi)，沿輻射方向法線尋找電磁輻射最大值。

4.3.2 監(jiān)測高度要求

（選頻或非選頻）監(jiān)測儀器探頭應(yīng)距地面（或立足平面）1.7 m。監(jiān)測時，監(jiān)測儀器探頭置于監(jiān)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(shè)備保持在1 m 至3 m 范圍內(nèi)。

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

4.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測點位應(yīng)是在5G 基站天線的波束覆蓋范圍內(nèi)?，F(xiàn)場測試過程中，記錄各個監(jiān)測點的測量穩(wěn)定值，每個點位測量時間需根據(jù)選頻和非選頻模式來確定，同時記錄基站資源的負(fù)荷使用情況。

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

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

（2）對于非選頻模式，依據(jù)HJ-972 標(biāo)準(zhǔn)要求，離地面高度1.7 m 處，記錄各個監(jiān)測點不少于5 個測量值，每次監(jiān)測時間不少于15 s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)下的最大值。

4.4 案例測試結(jié)果與分析

4.4.1 Speedtest 業(yè)務(wù)加載測試結(jié)果

根據(jù)上述現(xiàn)場測試環(huán)境配置要求與測試流程，通過SpeedtestAPP 持續(xù)模擬高速下行業(yè)務(wù)，通過選頻和非選頻方式，監(jiān)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(jiān)測整個過程中,在基站天線半徑30～180 m范圍內(nèi)，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(jiān)測結(jié)果對比表

【備注】選頻方式的讀數(shù)：6 min 平均功率密度；非選頻方式的讀數(shù)：15 s 或6 min 內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)下的最大功率密度。

4.4.2 選頻和非選頻測試結(jié)果分析

從表3 中的3 組基站的測試結(jié)果可以看出，對于同一組5G 基站的監(jiān)測，在相同的600～1 200 Mbit/s 下行速率范圍內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下，非選頻和選頻測試的測試結(jié)果存在很大的差異性，兩者可達(dá)6～8 倍以上的結(jié)果差異。

（1）選頻模式下，依據(jù)HJ 1151-2020，這3 組（D1、D2、H 組）5G 基站監(jiān)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(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》規(guī)定的不超過47μW/cm2（頻段3.4～3.5 GHz）限值要求，約為GB 8702 規(guī)定的最大限值的20%。

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

（2）非選頻模式下，依據(jù)HJ 972-2018，這3 組基站監(jiān)測到的周邊最大電磁輻射劑量（15 s 或6 min 內(nèi)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(guī)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(jiān)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(biāo)準(zhǔn)限值的情況發(fā)生。

4.4.3 測試小結(jié)

（1）根據(jù)上述測試結(jié)果對比國內(nèi)限值標(biāo)準(zhǔn)要求的分析，可以發(fā)現(xiàn)原有的針對2G/3G/4G 制式的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)HJ 972～2018 已經(jīng)不適用于采用mMIMO 技術(shù)的5G 基站的監(jiān)測要求，即非選頻的寬帶測量方法下，5G 基站存在較多被認(rèn)為不符合國家限值標(biāo)準(zhǔn)GB 8702 的情況。究其原因是因為非選頻監(jiān)測獲取的瞬時采樣數(shù)據(jù)，不能客觀真實地反映5G 在不同應(yīng)用場景下的全過程電磁輻射特性和強(qiáng)度變化，因此，非選頻監(jiān)測方法不適合作為5G電磁環(huán)境評質(zhì)量評估。

（2）針對5G 制定的HJ 1151～2020 監(jiān)測方法，更能真實和客觀反映5G 波束賦形全過程的輻射強(qiáng)度，較好地保證了監(jiān)測結(jié)果的合理性、科學(xué)性。在規(guī)定環(huán)境敏感區(qū)域內(nèi)，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(huán)境質(zhì)量評估，但上述測試結(jié)果也可以看出，不論是采用選頻還是非選頻模式監(jiān)測，本次5G 基站應(yīng)用監(jiān)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(guī)定，因此，我國的5G基站電磁輻射風(fēng)險整體上是可管可控，公眾無需擔(dān)憂5G電磁輻射問題。

5 結(jié)束語

本文分析了選頻監(jiān)測（HJ 1151-2020）和非選頻監(jiān)測（HJ 972-2018）的技術(shù)與應(yīng)用特點，并通過選頻和非選頻的監(jiān)測案例對比測試研究了5G 現(xiàn)網(wǎng)外場的電磁輻射水平，認(rèn)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(huán)境質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，不僅與ICNIRP、IEC 等國際組織相關(guān)射頻輻射評估方法相接軌，而且更能準(zhǔn)確、客觀、真實地反映5G 電磁特性和全過程應(yīng)用場景的輻射強(qiáng)度，對于規(guī)范5G 基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測，科學(xué)評估5G基站電磁輻射環(huán)境影響，消除公眾對5G 電磁輻射的擔(dān)憂，推進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模發(fā)展進(jìn)程具有重要作用。