5G基站电磁辐射预测方法及防护指标研究

曹 禄

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

随着5G标准演进，中国移动5G工程使用了多种类型的无线射频端设备，其在发射通道数、功率参数、Massive MIMO天线能力以及信号波束赋形特性等技术指标上较往期设备有较大变化。全面实施4/5G带宽和功率协同机制，引入4.9 GHz频段后，不同频段的5G网络在子帧上下行配置方面也有区别，且新天线3D方向图变化多样。以上因素对基站的电磁辐射水平均会产生较大影响，使得5G基站电磁辐射预测方法和防护指标成为急需研究解决的问题。

1 5G基站发射端功率影响因素分析

1.1 设备类型及4/5G功率协同的影响

中国移动5G室外基站主要使用64/32通道的AAU或8通道的RRU，均为4/5G共模设备。其中，64通道设备满配额定功率可选240 W或320 W，32/8通道设备满配额定功率均为320 W。

对于2.6 GHz频段上的160 MHz带宽，目前规定5G NR只占用前100 MHz，后60 MHz根据需求可供反向开通4G 3D-MIMO，因此总发射功率需在4/5G之间协同分配，如图1所示。

图1 4/5G功率协同分配

常规情况下，各类型设备在5G 100 MHz带宽上均能配置200 W功率，但当使用240 W的64通道射频设备时，在4G容量需求较大且需优先保障的情况下，最多可反向开通2个3D-MIMO载波，给4G分配40 MHz带宽和80 W的发射功率，此时5G 100 MHz带宽最大只能配置160 W功率。可见，当5G基站使用不同功率型号的射频设备时，受反开4G的影响，基站发射机平均发射功率将有所不同。

1.2 子帧上下行配置的影响

5G NR在时域的上下行配置以OFDM符号为粒度，现网中物理层选择30 kHz的子载波间隔，此时每个子帧含2个时隙，每个时隙包含14个OFDM符号。

在2.6 GHz频段，NR使用5 ms单周期帧结构，时隙配置为DDDSUUDDDD，即上下行时隙占比为7DL:2UL，特殊时隙（S）配置为6:4:4。2.6GHz NR 5 ms单周期帧结构的时隙格式如图2，下行符号占比为 (7×14+6):(10×14)=104:140。在 4.9 GHz频段，NR可使用2.5 ms双周期和2.5 ms单周期帧结构，其中2.5 ms双周期的上下行符号占比为90:140。

图2 2.6GHz NR 5 ms单周期帧结构的时隙格式

在一段统计时间内，5G基站一部分时间用于发射，一部分时间用于接收，因此发射机平均功率需考虑下行符号占比，仅统计下行传输时发射的功率。

1.3 多流发射的影响

5G采用Massive MIMO技术，可实现多用户多流的波束赋形发射。中国移动5G网络64/32/8通道设备分别支持NR侧每小区下行16/8/4流。在极限情况下，每流都有用户，在不考虑功率分配和功率控制算法影响的前提下，理想情况基站总功率在多流之间平均分配。以16流为例，若基站总发射功率为P，此时每流功率的中值为（P-12）。

1.4 Massive MIMO天线增益的影响

当前主流的64/32/8TR 5G新天线结构如图3所示。因使用Massive MIMO天线，5G天线波束赋形能力较传统天线强很多，且5G的广播波束和业务波束都有赋形，所以评估5G天线总增益时要综合考虑天线本身阵子功放增益和波束赋形增益等。

图3 5G新天线阵元结构图

5G天线本身的增益包括阵元增益和每通道阵子功放增益等。对64TR的5G天线，业务信道波束赋形可实现水平8波束×垂直4波束，其波束赋形增益为水平与垂直赋形增益之和，即10×lg8+10×lg4=15.05，其他天线同理计算。

2 5G电磁辐射预测方法

根据上述分析，考虑影响5G基站发射端功率的因素，可将5G基站发射机平均功率P表述为：

定义天线归一化方向性函数F(φ,θ)∈ [0,1] 代表天线在某一方向上的增益与最大增益值的比值，φ和θ分别为预测点与天线轴向在水平和垂直方向的夹角。5G天线发射端总增益G（倍数）可表达为：

式中，Ga表示天线（阵元及功放）增益，单位为dB；Gb表示波束赋形增益，单位为dB；L表示馈线接头损耗，单位为dB。

天线辐射场空间内任意点的电磁辐射值，受天线归一化方向性函数F(φ,θ)影响[1]。利用均匀直线方向阵函数拟合获取F(φ,θ)的方法在实际工程应用中操作难度过大，且拟合出的天线方向图与实际存在偏差[2-4]。考虑到目前天线厂商已能够提供与天线3D方向图相对应的天线方向性衰减表（例如表1），因此实际工程中通过φ和θ查天线方向性衰减表获取F(φ,θ)值更加精准和可行。

表1 某款5G天线方向性衰减表

根据《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》中发射端天线的远场功率密度公式[5]。不考虑天线反射波的影响，当观测点到天线间的距离为r（单位：m）时，其位置处的基站电磁场功率密度Pb为（单位：W/m2）：

将式（1）和式（2）代入式（3），得到5G基站电磁辐射预测公式：

当限定功率密度值Pd时，5G基站电磁辐射防护距离为：

3 5G电磁辐射安全防护指标建议

根据相关标准中对电磁场公众暴露控制限值和对单个项目通过天线发射电磁波的电磁辐射防护限值的规定，在任意连续6 min内，5G项目对于单个2.6 GHz频率基站电磁辐射等效平面波功率密度平均值应小于0.08 W/m2，对于单个4.9 GHz频率基站电磁辐射等效平面波功率密度平均值应小于0.13 W/m2，将该值作为Pd代入式（5），并根据各项参数可求得不同频段、设备类型以及技术参数下5G基站的电磁辐射防护距离建议值[6,7]。通常天线的轴向方向（F(φ,θ)=1）是天线增益最大的方向，天线轴向的5G基站电磁防护距离建议值可参见表2。当敏感点位于非轴向时，可在已知该方向的水平夹角φ和垂直夹角θ后，通过方向性函数F(φ,θ)的取值求得该方向的防护距离值，其不会大于轴向防护距离。

表2 5G基站电磁辐射防护距离（天线轴向距离）建议值

4 结 论

对5G基站电磁辐射水平的预测分析、环境影响评价及电磁辐射安全防护是5G工程建设中一项重要工作。本文对此问题从方法论和定量结论两个方面均给出了明确的建议，相关结论对于国内5G工程的基站选址设计和电磁辐射水平预测等工作具有指导意义。