陳永梅 吳沛林 王鋮

安徽省合肥生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 安徽 合肥 230000

引言

近年來(lái)，我國(guó)在大力推廣應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)的過(guò)程中，配套建設(shè)了5G基站。根據(jù)現(xiàn)階段公布的數(shù)據(jù)看，基站建設(shè)總量已經(jīng)達(dá)到70%以上，可以為智慧城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、工業(yè)控制等各領(lǐng)域提供通信支持。但是，在此類(lèi)基站建設(shè)及投入運(yùn)行后，受到物理屬性的限定，存在相應(yīng)的電磁輻射，并通過(guò)站間距、波束賦形等對(duì)使用中的天線(xiàn)，以及應(yīng)用場(chǎng)景中的環(huán)境產(chǎn)生相應(yīng)影響。因而在新時(shí)期各行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展階段，需要持續(xù)加強(qiáng)該方面的研討，促進(jìn)此類(lèi)基站的安全建設(shè)與使用。

1 5G基站電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)概述

1.1 標(biāo)準(zhǔn)

電磁輻射主要是變化的電場(chǎng)與變電的磁場(chǎng)，借助相互作用方式引起的能量流傳播，也被表述為能量通過(guò)電磁波的形式從源發(fā)射到空間產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。其來(lái)源包括兩個(gè)方面[1]：①人工電磁輻射源；②天然電磁輻射源。5G基站電磁輻射屬于前者，由于此類(lèi)基站電磁輻射會(huì)對(duì)環(huán)境與人體造成污染與影響，因此，在基站建設(shè)過(guò)程中預(yù)設(shè)了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，要求將其頻率范圍控制在300GHz～1Hz之間（如表1）。

表1 基站電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)

1.2 監(jiān)測(cè)

在生態(tài)文明思想牽引下，基站項(xiàng)目中增加了環(huán)境工程，主要通過(guò)環(huán)境影響評(píng)價(jià)與項(xiàng)目竣工環(huán)保驗(yàn)收兩大方法進(jìn)行落實(shí)。從基站輻射檢測(cè)中的監(jiān)測(cè)情況看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置時(shí)通常包括了氣象條件、環(huán)境條件、測(cè)試時(shí)間、敏感目標(biāo)，監(jiān)測(cè)設(shè)備等。具體的監(jiān)測(cè)中，要在確定發(fā)射頻率后，對(duì)其開(kāi)展至少5次連續(xù)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)時(shí)間控制在15s/次以上，然后記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并劃分其輻射范圍等。

2 5G基站電磁輻射的影響分析

近年來(lái)，5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)較快，在5G基站工程中，站間距、波速賦形、發(fā)射通道數(shù)、多進(jìn)多出技術(shù)等各個(gè)方面的技術(shù)指標(biāo)出現(xiàn)了一些變化。同時(shí)，應(yīng)用4.9GHz頻段后，5G網(wǎng)絡(luò)子幀上下行配置與之前有所差異[2]。在此類(lèi)因素變化后會(huì)對(duì)基站電磁輻射水平產(chǎn)生相應(yīng)影響，因此，在當(dāng)前階段需要對(duì)其影響做出分析，并結(jié)合此類(lèi)分析結(jié)果，為后續(xù)預(yù)測(cè)與防護(hù)提供數(shù)據(jù)相應(yīng)支持。分述如下：

2.1 以站間距為例

此類(lèi)基站應(yīng)用的頻率較高，需要設(shè)置高密站距，也存在高穿損情況。目前，宏基站中以現(xiàn)有站址為基礎(chǔ)建設(shè)共址，5G站間距與4G站間距無(wú)顯著差異。新時(shí)期，隨著立體式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署工作的實(shí)施，微站設(shè)備激增，此時(shí)需要縮小站間距并造成基站輸出功率下降。從站間距對(duì)電磁輻射的影響情況看，與4G時(shí)代基本相同。

2.2 以波束賦形為例

多進(jìn)多出技術(shù)是5G移動(dòng)通信工程中比較突出的關(guān)鍵技術(shù)，由于其具有空口技術(shù)特征，在應(yīng)用中以大陣列天線(xiàn)的波束賦形技術(shù)為硬件基礎(chǔ)，因而應(yīng)用64TR射頻設(shè)備時(shí)，波的疊加與干涉會(huì)產(chǎn)生64個(gè)原子窄波束。在控制波束功率與方向時(shí)，需要借助智能天線(xiàn)完成，此時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生對(duì)天線(xiàn)的輻射。

2.3 以發(fā)射功端功率為例

目前，三大運(yùn)營(yíng)商及社會(huì)化企業(yè)，在5G室外基站中仍以4G/5G共模設(shè)備應(yīng)用為主。當(dāng)使用64/32通道設(shè)備時(shí)，其中的額定功率為240W、320W。在2.6GHz頻段以上的帶寬（160MHz），通常只占用前100MHz，其余用于新天線(xiàn)3D載波的反向開(kāi)通。因而，實(shí)際上的總發(fā)射功率處于協(xié)同分配狀態(tài)，在這種條件下，5G基站應(yīng)用不同功率型號(hào)設(shè)備后，需要區(qū)分反開(kāi)與未反開(kāi)4G的情況[3]。①未反開(kāi)時(shí)，處于正常狀態(tài)。通常情況下，5G基站能夠配置100MHz帶寬、200W功率。②反開(kāi)后，其基站發(fā)射功率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。以64通道射頻設(shè)備為例（原本配置100MHz帶寬、240W功率）：①當(dāng)反向開(kāi)通1個(gè)新天線(xiàn)3D載波時(shí)，4G配置功率為40W，5G為200W。②當(dāng)反向開(kāi)通2個(gè)新天線(xiàn)3D載波時(shí)，4G基站配置40Hz帶寬、80W功率，這時(shí)5G基站配置的帶寬不變，其發(fā)射功率會(huì)縮減到160W。

2.4 以子幀上下行配置為例

5G基站帶占用100MHz帶寬，在時(shí)域上下行配置方面，粒度選擇OFDM符號(hào)，子載波間隔為30kHz，這時(shí)任意子幀中的時(shí)隙數(shù)量為2，1個(gè)時(shí)隙中的粒度為14個(gè)OFDM符號(hào)。在2.6GHz與4.9GHz頻段下，選擇的幀結(jié)構(gòu)有所差異，其中的上下行符號(hào)占比也有所不同。以2.6GHz頻段為例，應(yīng)用5m單周期幀結(jié)構(gòu)時(shí)的上下行時(shí)隙占比為7DL：2UL，S時(shí)隙（特殊時(shí)隙）配置為6：4：4；下行符號(hào)占比為104：140。以4.9GHz頻段為例，以2.5m單周期幀結(jié)構(gòu)或雙周期幀結(jié)構(gòu)均可，在雙周期方面的上下行符號(hào)占比為90∶140。

3 5G基站電磁輻射預(yù)測(cè)方法

首先，結(jié)合上述影響分析可以認(rèn)識(shí)到，此類(lèi)基站電磁輻射會(huì)受到發(fā)射功率的較大影響，5G基站中占用了100MHz帶寬。假定：①額定發(fā)射功率為；②子幀配置下行符號(hào)占比為；③下行發(fā)射流數(shù)為c。此時(shí)，可以得到發(fā)射平均功率P的功式為：

第三，天線(xiàn)歸一化方向性函數(shù)，會(huì)對(duì)電磁輻射值（天線(xiàn)輻射場(chǎng)空間內(nèi)任意點(diǎn)）產(chǎn)生影響，按照均勻直線(xiàn)方向陣函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合時(shí)，容易發(fā)生偏差，而且擬合得到的天線(xiàn)方向圖并不能符合實(shí)際工程情況。因此，在現(xiàn)階段通常會(huì)根據(jù)供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)夾角，查詢(xún)相關(guān)數(shù)據(jù)，從而確保其函數(shù)值的精準(zhǔn)性，滿(mǎn)足工程可行性應(yīng)用條件。以某類(lèi)型的5G天線(xiàn)為例，供應(yīng)商提供的天線(xiàn)方向性衰減表如表2：

表2 某類(lèi)型5G天線(xiàn)方向性衰減表

第四，按照發(fā)射端天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度公式（現(xiàn)行《輻射環(huán)保管理導(dǎo)則電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》），忽略天線(xiàn)反射波影響后，假定：①觀測(cè)點(diǎn)與天線(xiàn)間的距離為r；②r位于5G基站電磁場(chǎng)功率密度位置，假定該功率密度為。前者單位為m，后者單位為W/㎡。此時(shí)，可以得到公式：

第五，在公式（3）中代入公式（1）與（2），此時(shí)，基站的電磁輻射功率與電磁場(chǎng)功率密度趨于一致，可以用公式表述為：

由此可知，在成功預(yù)測(cè)5G基站電磁輻射功率時(shí)，可能得到對(duì)電磁輻射的防護(hù)距離。因此，在實(shí)際上的5G基站電磁輻射安全防護(hù)過(guò)程中，只需要設(shè)置相應(yīng)的指標(biāo)便可以較好地達(dá)到對(duì)其有效防護(hù)，從而為基站建設(shè)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

4 5G基站電站輻射防護(hù)分析

首先，按照基站輻射標(biāo)準(zhǔn)，在任意基站借助天線(xiàn)發(fā)射電磁波的過(guò)程中，其電磁輻射防護(hù)限值具有明確規(guī)定。同時(shí)，電磁場(chǎng)公眾暴露控制限值也十分明確[4]。例如：①在任意選取的6min時(shí)間間隔中，基站選擇的頻率為2.6GHz，這時(shí)的該基站電磁輻射等效平面波功率密度平均值不能超過(guò)0.08W/㎡。②當(dāng)基站選擇的頻率為4.9GHz時(shí)，其平均值不超過(guò)0.13W/㎡。假定值的限定條件為這兩個(gè)頻段下任意基站個(gè)個(gè)頻率，那么將該值作為電磁輻射防護(hù)距離公式（5）中的確定值，就可以得到相對(duì)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

其次，將求得的r值作為參考值后，天線(xiàn)增益最大方向?yàn)樘炀€(xiàn)的輻射方向，按照定義下的天線(xiàn)歸一化方向條件看，其最大值等于1。那么，根據(jù)5G基站電磁輻射防護(hù)距離，參考5G基站電磁輻射防護(hù)距離（天線(xiàn)輻射距離）建議值（如表3），實(shí)際上，可以合理地選擇安全防護(hù)距離。

表3 5G基站天線(xiàn)軸向距離建議值

續(xù)表

第三，如果遇到非軸向時(shí)，出現(xiàn)了敏感值，這時(shí)應(yīng)結(jié)合已知方向中的兩個(gè)夾角，結(jié)合供應(yīng)商提供的天線(xiàn)衰減表，計(jì)算其非軸向條件下的防護(hù)距離值[5]。由于該值不會(huì)超過(guò)軸向防護(hù)距離，因而能夠利用給定條件合理的計(jì)算并將其與建議值進(jìn)行比較后加以確定。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，在新時(shí)期各行業(yè)應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)的過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)其基站電磁輻射影響情況的研討。結(jié)合以上初步分析可以看出，此類(lèi)基站電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)十分明確，其中的監(jiān)測(cè)方法也比較安全可靠。但是在5G基站建設(shè)過(guò)程中使用的頻段有所增加，配套設(shè)備的功率也隨之增加，此時(shí)站間距、波束賦形、總發(fā)射功率、子幀上下行配置均有所變化，在這種情況下，應(yīng)充分結(jié)合其影響因素科學(xué)的選擇預(yù)測(cè)方法，并做好防護(hù)指標(biāo)設(shè)置，以此促進(jìn)基站建設(shè)與電磁輻射監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、防護(hù)一體化，為我國(guó)各行業(yè)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)添磚加瓦。