5G 电磁辐射选频与非选频监测模式对比分析与应用研究

［罗森文］

1 引言

2021 年全球5G 商业网络建设进入到了新高度，截止到2021 年底，我国通信运营商将计划累计建成约132 万个5G（FR1 频段）基站，2022 年5G 基站建设将会达到高潮，而5G 的电磁辐射又备受各方关注，如何客观评估5G 电磁辐射的影响面临很大挑战，因此采取一种合理、科学的监测方法来衡量和反映5G 基站的真实电磁辐射水平显得尤其重要。

与传统的2G/3G/4G 约120°波束宽度的扇区天线相比，因5G 采用了mMIMO（Massive MIMO：超大规模输入输出天线阵列）等新技术，5G mMIMO 天线可以产生增益更高（如25 dBi）、宽带更窄（如5～30°）和指向性更强的赋形波束，使得5G 基站的射频信号功率在用户方向上更加集中，从而确保5G 流量信道的高速传输性能。鉴于5G 通信基站的电磁辐射机理明显有别于传统的2G/3G/4G 网络制式，因此，5G 的电磁辐射监测方法应符合5G 的辐射技术特点，需要与传统的监测方法进行对比测试分析与研究。

本文对比分析了电磁辐射选频监测和非选频监测的技术特点与应用场景，并针对5G mMIMO 波束赋形的电磁特性，通过选频模式和非选频（宽带模式），进行了5G电磁辐射监测案例对比测试实践，研究了选频和非选频测试结果与国家电磁辐射限值要求的符合度，同时探讨了选频监测模式下，5 分钟平均功率密度指标作为5G 电磁辐射环境质量评估的必要性和重要性。

2 选频与非选频监测的技术分析与应用场景

目前我国通信基站包括了2G、3G、4G、5G，工作频率均在6 GHz 以下的各个不同频段，电磁辐射的监测有非选频式的宽带监测、选频式监测等两种方法，这两种监测方法的监测因子均为射频电磁场，监测参数通常为功率密度或电场强度。针对上述不同网络制式的基站辐射特点，我国也制定了相应的监测标准。

2.1 通信基站电磁辐射监测方法的技术特点分析

（1）随着2G 通信在我国的快速发展，早在2007 年3G 建设开始之间，为规范和加强通信基站电磁辐射环境监测工作，根据当时的《电磁辐射环境保护管理办法》及有关电磁辐射标准，原国家环保总局和原信息产业部联合制定了《移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》（环发〔2007〕114 号），该方法适用于工作频率范围在110 MHz～40 000 MHz 内的基站电磁辐射监测，对移动基站监测采取非选频式宽带辐射测量仪，需要了解各个发射源的辐射贡献时，则采用选频式辐射测试仪。

（2）2008-2017 年间，从3G 逐步发展到4G，4G 成为了主要无线接入方式，每年新建基站超过100 万个,基站电磁辐射问题始终伴随网络发展，为加强基站电磁环境保护顶层设计，完善国家电磁环境标准体系，防治通信基站的电磁辐射环境影响，2018 年生态环境部发布了HJ 972-2018《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》，同时废止了环发〔2007〕114 号文。由于2G、3G、4G 等的辐射技术特点本质上差异不大，主要是以固定端口发射功率，端口数通常不超过2TR/2RX（或4TR/4RX）的定向天线的辐射模式，信号类似一个平面发射出去，工作频率均在中低射频段（3 GHz 以下），因此，没有必要去区分2G或3G、4G 的监测方法，HJ 972-2018 规定的方法适用于2G、3G、4G 等网络制式的电磁辐射监测。

（3）2019 年6 月，我国开始了5G 网络的正式建设，由于5G 的天线端口普遍采用32TR/32RX 或64TR/64RX（甚至128TR/128RX）的3D-mMIMO 技术，波束赋形能力得到了极大增强,信号可以在水平和垂直维度的空域中利用，信号的辐射电磁波形状是随业务需求而动的窄电磁波束，同时5G 的电磁波工作频率和发射功率与前几代基站有很大的改变，因此，基于5G 基站的技术特点，为规范5G 电磁辐射环境监测，非常有必要新制定适用于5G的监测方法，否则对评估5G 电磁环境质量是否符合国家限值标准要求带来很大的挑战。

为此，2020 年12 月生态环境部制定并发布了针对5G监测的新标准HJ1151-2020《5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）》，适用于5G 及与其他网络制式共址的基站监测，于2021 年3 月开始正式实施。

2.2 非5G 基站的监测

根据HJ 972 的规定，对于2G/3G/4G 等非5G 基站的监测，通常应先使用非选频模式（即宽频模式）进行监测，监测结果作为该物理站址中的被监测点的电磁辐射值。鉴于选频式宽带测量实际结果是，若监测结果超出HJ/T10.3规定对单个项目的评价标准时，即超过GB 8702 规定的功率密度限值的五分之一，则再使用选频模式对该点进行选频测量，测试该点位在基站发射频段范围内的功率密度值，以分析同一物理站址中不同网络制式基站天线的电磁辐射贡献量。

2.3 5G 基站或含有5G 共址站点的监测

根据HJ 1151 的规定，5G 基站监测应使用选频式的电磁辐射监测仪，测频率范围应包含被测5G 基站发射天线工作状态时的下行发射频段,这是因为非选频模式无法分辨不同工作频率的基站电磁辐射贡献量，非选频监测到的是监测仪表天线频段内（如100 kHz-6 000 MHz）总的综合场强数据，无法与国际或国家限值标准GB8702 形成不同频率对应不同限值的限值要求关系。考虑到GB8702的辐射限值是根据频率划分,如通信射频段有30～3 000 MHz，也有3 000～15 000 MHz，各自分别对应不同的限值要求，非选频式宽带监测的天线探头无法对30～6 000 MHz 进行频率细分,因此，也无法准确判断多种制式共址时单个5G 基站电磁环境质量是否达标。

选频监测则能够在天线频率响应范围内，对监测频率范围进行按需设置，可以同时监测到不同频率的电磁辐射贡献的频谱分布情况，能够准确反映被测基站工作频段的电磁辐射环境贡献值，从而准确判断被测基站的电磁辐射环境质量是否达标。

3 我国对5G 通信基站电磁辐射限值规定

3.1 国家限值标准发展情况

关于通信基站射频段的电磁辐射限值要求，我国早在1988 年就制定了《电磁辐射防护规定》（GB 8702-88）和《环境电磁波卫生标准》（GB 9175-88）两项国家标准，目的为防止电磁辐射污染、保护环境、保障公众健康，促进伴有电磁辐射的正当实践，如移动通信建设。随着《中华人民共和国环境保护法》和生态文明建设的逐步实施，为更好满足人们对美好电磁生态环境的需求，在参考国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）和电气与电子工程师学会（IEEE）相关电磁辐射限值标准情况下，结合国内电磁环境保护工作实践，我国又于2014 年整合修订了上述两项国家标准为《电磁环境控制限值》（GB8702-2014）。

在满足GB8702-2014 标准限值的前提下，鼓励产生电场、磁场、电磁场设施（设备）的所有者（如通信运营商）遵循预防原则，积极采取有效措施，降低公众曝露辐射风险。同时标准的整合也有利于完善我国电磁环境保护标准体系，有利于产生电磁污染相关行业的健康可持续发展，并为电磁环境投诉处理提供权威判断依据。

3.2 通信运营商5G 电磁辐射限值要求

表1 是根据《电磁环境控制限值》（GB8702-2014）导出的我国主要运营商5G 通信基站射频段公众暴露场所的最大功率密度限值要求。

表1 我国通信运营商5G（FR1 频段）基站的电磁辐射限值要求

4 选频与非选频应用监测案例实践与结果分析

根据前述对选频和非选频监测方法的不同技术特点分析，为了明确与区分这两种方法用于5G 的电磁辐射监测将带来极大的结果差异，本文通过监测现网运行的5G 基站案例进行测试验证。

4.1 监测仪表电性能要求

衡量电磁辐射监测仪表的关键性能参数通常有频率响应、各向同性和动态范围等三项，其中频率响应和各向同性又是影响测量不确定度的两个重要因素。

选频式电磁辐射监测仪具有频谱分析能力，可以逐个频点校准（不同频率使用不同天线因子）来改善天线的频率响应。同时，选频监测不同频率的测量值均有明确对应的控制限值，可以准确判断被测5G 基站电磁辐射水平的标准符合性，因此选频仪表还需考虑探头最小检出限、频率误差、线性度等指标要求。

而对于非选频监测仪表电性能参数主要有频率响应、动态范围和各项同性等。

选频式和非选频式的辐射监测仪表电性能基本要求如表2 所示。

表2 选频式和非选频式电磁辐射监测仪电性能基本要求

4.2 被测5G 基站与网络环境要求

处于正常运行的5G 室外现网200 W 宏基站，工作频率3 400～3 500 MHz，基站天线挂高（离地）15～35 m、下倾角3～9 度。

此外，5G 网络环境良好，确保5G 网络可以连接到测试用终端（UE），并保证通过5G 终端发起业务需求时，5G 网络可以提供持续的下行业务流量，且下行速率最高应能达到1 200 Mbit/s。

4.3 监测实践

4.3.1 测试流程

（1）业务加载方式：准备1～4 台5G 终端（UE）,配置无限流量SIM卡，同时安装Speedtest APP模拟业务加载，每持续10～15 s，各终端通过SpeedtestAPP轮循模拟不间断业务加载。

（2）终端布点：根据现场环境，进行终端现场布点选择，离基站距离在30～200 m 范围内选择布点。

（3）监测点选择：在建立和终端连接的条件下，在基站天线半径30～180 m 之间空间范围内，沿辐射方向法线寻找电磁辐射最大值。

4.3.2 监测高度要求

（选频或非选频）监测仪器探头应距地面（或立足平面）1.7 m。监测时，监测仪器探头置于监测仪器支架上，探头尖端与操作人员躯干之间距离不少于0.5 m，并与5G终端设备保持在1 m 至3 m 范围内。

此外，需避免或尽量减少周边偶发的其他电磁辐射源的干扰及监测仪器支架泄漏电流等影响。

4.3.3 监测数据采集

监测点位应是在5G 基站天线的波束覆盖范围内。现场测试过程中，记录各个监测点的测量稳定值，每个点位测量时间需根据选频和非选频模式来确定，同时记录基站资源的负荷使用情况。

（1）对于选频模式，依据HJ-1151标准要求，离地面高度1.7 m 处，每个监测点每次监测时间不少于6 min，读取监测仪器的平均值。

【备注】平均值是指一段监测时间（比如6 min）得出所有的积分值进行平均处理；积分值是指监测频段内所有频点贡献的功率密度值的总和。

（2）对于非选频模式，依据HJ-972 标准要求，离地面高度1.7 m 处，记录各个监测点不少于5 个测量值，每次监测时间不少于15 s，并读取稳定状态下的最大值。

4.4 案例测试结果与分析

4.4.1 Speedtest 业务加载测试结果

根据上述现场测试环境配置要求与测试流程，通过SpeedtestAPP 持续模拟高速下行业务，通过选频和非选频方式，监测了3 组不同物理站址的5G 基站天线法线方向的电磁辐射水平。

表3 为监测整个过程中,在基站天线半径30～180 m范围内，通过选频模式和非选频模式采集到的5G 基站最大电磁辐射功率密度。

表3 选频和非选频模式下5G 基站电磁辐射水平（功率密度）最大值监测结果对比表

【备注】选频方式的读数：6 min 平均功率密度；非选频方式的读数：15 s 或6 min 内稳定状态下的最大功率密度。

4.4.2 选频和非选频测试结果分析

从表3 中的3 组基站的测试结果可以看出，对于同一组5G 基站的监测，在相同的600～1 200 Mbit/s 下行速率范围内和网络环境条件下，非选频和选频测试的测试结果存在很大的差异性，两者可达6～8 倍以上的结果差异。

（1）选频模式下，依据HJ 1151-2020，这3 组（D1、D2、H 组）5G 基站监测到的周边最大电磁辐射剂量（6 min平均功率密度）在2.22～9.58μW/cm2，最大9.58μW/cm2，远低于国家标准GB 8702-2014《电磁环境控制限值》规定的不超过47μW/cm2（频段3.4～3.5 GHz）限值要求，约为GB 8702 规定的最大限值的20%。

也就是说，通过选频模式监测5G 基站，在离基站30～180 m 的敏感区域内，即使在高速下行时（如速率600～1 200 Mbit/s），实际监测尚未发现有不符合国家标准GB 8702 限值要求的情况。

（2）非选频模式下，依据HJ 972-2018，这3 组基站监测到的周边最大电磁辐射剂量（15 s 或6 min 内的功率密度最大值）在20.03～69.87μW/cm2之间，最大69.87μW/cm2，存在超过GB 8702 规定的最大限值48μW/cm2（频段3.4～3.6 GHz）的情况。

也就是说，如果通过非选频模式监测5G 基站，在较高速下行时（如速率超过600 Mbit/s），存在超过GB 8702标准限值的情况发生。

4.4.3 测试小结

（1）根据上述测试结果对比国内限值标准要求的分析，可以发现原有的针对2G/3G/4G 制式的监测标准HJ 972～2018 已经不适用于采用mMIMO 技术的5G 基站的监测要求，即非选频的宽带测量方法下，5G 基站存在较多被认为不符合国家限值标准GB 8702 的情况。究其原因是因为非选频监测获取的瞬时采样数据，不能客观真实地反映5G 在不同应用场景下的全过程电磁辐射特性和强度变化，因此，非选频监测方法不适合作为5G电磁环境评质量评估。

（2）针对5G 制定的HJ 1151～2020 监测方法，更能真实和客观反映5G 波束赋形全过程的辐射强度，较好地保证了监测结果的合理性、科学性。在规定环境敏感区域内，选频模式下5G 基站的电磁辐射水平（6 min 平均值）整体上符合GB 8702 限值要求。

（3）尽管非选频不适合用于5G 电磁环境质量评估，但上述测试结果也可以看出，不论是采用选频还是非选频模式监测，本次5G 基站应用监测案例实际测量的电磁辐射（功率密度），最大不超过69.87μW/cm2（非选频）或9.58μW/cm2（选频），都极低于国际组织（如ICNIRP、WHO）不超过1 000μW/cm2的规定，因此，我国的5G基站电磁辐射风险整体上是可管可控，公众无需担忧5G电磁辐射问题。

5 结束语

本文分析了选频监测（HJ 1151-2020）和非选频监测（HJ 972-2018）的技术与应用特点，并通过选频和非选频的监测案例对比测试研究了5G 现网外场的电磁辐射水平，认为选频模式下的6 min 平均功率密度作为评估5G 电磁辐射环境质量的重要技术指标，不仅与ICNIRP、IEC 等国际组织相关射频辐射评估方法相接轨，而且更能准确、客观、真实地反映5G 电磁特性和全过程应用场景的辐射强度，对于规范5G 基站电磁辐射环境监测，科学评估5G基站电磁辐射环境影响，消除公众对5G 电磁辐射的担忧，推进5G 网络大规模发展进程具有重要作用。