5G基站與射頻電磁輻射漫談

本文來源：5G工業(yè)物聯(lián)

01

引言

5G第五代移動通信技術(shù)是第四代（4G LTE）網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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(dān)心電磁輻射更嚴重，這導(dǎo)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(luò)的部署將見證現(xiàn)有第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)的演進和擴展，以及毫米波段新無線接入網(wǎng)絡(luò)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(dāng)然要靠新技術(shù)和更多的基礎(chǔ)設(shè)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(luò)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的研討，以饗讀者。

02

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(xué)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(dǎo)則和IEEE C95.1-2005：美國電氣與電子工程師學(xué)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(dǎo)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(dǎo)則和IEEE C95.1-2005限值

平均限值應(yīng)在6分鐘內(nèi)測量。注意在6GHz時ICNIRP 1998導(dǎo)則和IEEE C95.1-2005標準之間存在差異。

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(chǔ)、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(yīng)≤47uW/cm2，美國這一標準為1000uW/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(shè)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3.5GHz，則滿足國標的電磁輻射限值為：（1）電場強度：≤13V/m；（2）功率密度：≤47μW/cm2。

03

5G基站的射頻電磁場輻射

3.1? 5G信號的生物電磁學(xué)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(fēng)險科學(xué)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(luò)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(xué)研究的基礎(chǔ)上的。

當(dāng)前，對頻率高于24GHz的生物學(xué)研究較少，—些國家計劃支持這一領(lǐng)域的生物學(xué)、流行病學(xué)和劑量學(xué)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(luò)，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(luò)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(wù)：低于1GHz、1~6GHz和高于6GHz。

①1GHz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(wù)。

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

③要滿足5G計劃的超高寬帶速度，需要6GHz以上的帶寬。重點將放在24GHz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<6GHz：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700MHz和2.7GHz之間的幾個頻段上運行。Wi-Fi在2.45和5GHz下工作。這些波段將用于覆蓋范圍和容量。

雖然5G網(wǎng)絡(luò)可以部署在700MHz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50Mbit/s至10Mbit/s，這個頻段應(yīng)該是新的數(shù)字服務(wù)的理想選擇，這些服務(wù)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+。

3.6GHz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1Gbit/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>24GHz（毫米波）：更高的頻率，如24~86GHz，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(yīng)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(yīng)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(luò)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-6GHz）；

②高頻段的毫米波（FR2：24 250 MHz-52 600 MHz）。

Sub 6G頻段就是6GHz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260M；

中國電信：3 400~3 500 MHz，共100M；

中國聯(lián)通：3 500~3 600 MHz，共100M。

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(wù)。

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100GHz。

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(yù)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(luò)是專門為最小化發(fā)射機功率而設(shè)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。

基站主設(shè)備由BBU和AAU組成。BBU主要負責(zé)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(zé)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(shè)計越來越復(fù)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(shè)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。基于之前無線技術(shù)的轉(zhuǎn)變，我們可以預(yù)期，5G部署的預(yù)期射頻電磁場總體暴露水平將與4G網(wǎng)絡(luò)保持大體相當(dāng)，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(luò)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(luò)干擾和非預(yù)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(dǎo)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(wù)方向?？梢愿鶕?jù)需求設(shè)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(dāng)?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。

0 4 應(yīng)用場景舉例

4.1? 5G小站

5G時代，隨著業(yè)務(wù)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(luò)將依賴一個由宏站和小站組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，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6w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(luò)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3.6GHz頻段5G會有很多微小區(qū)，在f>24GHz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(shè)備的EIRP或現(xiàn)場的安裝高度。低功率的5G小站設(shè)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(shè)備。對于高功率5G小站設(shè)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(shè)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(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)的多臺機器、設(shè)備和設(shè)備的協(xié)調(diào)。其中包括日常物品，例如傳感器、可穿戴設(shè)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(shè)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(yīng)該有明顯的變化。低功耗等能源問題是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心問題，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備引起的電磁輻射暴露通常比其他設(shè)備和系統(tǒng)要低得多。此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)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100W的物聯(lián)網(wǎng)（可穿戴）設(shè)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(shè)備將采用國際技術(shù)標準進行測試。

0 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100W的5G小站和物聯(lián)網(wǎng)（可穿戴）設(shè)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(yù)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(xí)以為常，移動通信設(shè)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。

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參考文獻：

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[3] HJ 972-2018《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》

[4] HJ/T 10.3-1996《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準》

[5] [b-ICNIRP Guidelines]International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz). Health Phys. 1998, 74, pp. 494-522. Available [viewed 2019-07-21] at: https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf

[6] [b-IEEE Std C.95.1]IEEE Std C.95.1-2005, IEEE Standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz

作者簡介：

王華剛：中國電信股份有限公司研究院，高級工程師，長期從事通信系統(tǒng)雷擊保護技術(shù)研究，目前代表中國電信集團公司擔(dān)任ITU-T SG5 "電信系統(tǒng)雷擊防護”聯(lián)合報告人，編輯；主編多項國際、國內(nèi)通信防護行業(yè)標準；近年來在國內(nèi)核心期刊發(fā)表專業(yè)技術(shù)論文10余篇。

羅森文：中國電信股份有限公司研究院，中國通信標準化協(xié)會電磁環(huán)境與安全防護技術(shù)工作委員會電磁兼容工作組（CCSA TC9 WG1）副組長，高級工程師，長期從事通信防護技術(shù)研究和標準制定工作。

陳少川：中國電信股份有限公司研究院，高級工程師，長期從事通信防護技術(shù)研究和標準制定工作，參與制定YD/T940、YD/T950、YD/T1082等多項通信防護行業(yè)標準。

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