5G基站輻射安全與網(wǎng)絡規(guī)劃研究

許浩，曹弘毅

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200120）

1 引言

目前5G網(wǎng)絡相比于4G，使用更大的帶寬、更高的頻譜。為了保證覆蓋效果，一方面5G 100 MHz的帶寬相比于4G 20 MHz的帶寬需要5倍左右的功率；另一方面，5G主流使用的3.5 GHz頻段相比于4G常用的1.8 GHz頻段，傳播距離更短、穿透能力更弱，需要部署更多的基站。因此，需要引入超密集組網(wǎng)增強覆蓋能力，這也導致基站與公眾活動區(qū)域間的距離更近。生活中隨處可見的5G基站設備也使得公眾開始關注5G輻射安全問題。

基于此，為了在滿足輻射安全規(guī)范的情況下開展組網(wǎng)，需要從5G異構組網(wǎng)基站設備性能、電磁輻射原理、安全規(guī)范要求、典型室內(nèi)外覆蓋場景等方面開展相關研究分析，為在實際組網(wǎng)中避免輻射危害提供依據(jù)，指導5G規(guī)模建設過程中既能保證網(wǎng)絡質(zhì)量和用戶感知，又能兼顧確保網(wǎng)絡設備對公眾電磁輻射安全。

2 超密集異構網(wǎng)絡組網(wǎng)

超密集無線異構網(wǎng)絡能夠大幅提升無線網(wǎng)絡容量與流量密度，被認為是5G網(wǎng)絡的重要組網(wǎng)技術之一。5G來臨后，移動通信將會大量使用3 GHz以上頻段，甚至是毫米波頻段?；诤昊痉涓C的傳統(tǒng)組網(wǎng)方式已經(jīng)無法滿足高頻段的需求，如圖1所示，除宏基站以外，將引入電線桿（高桿）、路燈桿（低矮桿）、電話亭等異構站址，基站密度大幅增加。

圖1 異構網(wǎng)絡覆蓋場景示意圖

5G網(wǎng)絡架構包括無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。用戶設備（user equipment，UE）發(fā)起業(yè)務，經(jīng)過新空口（new radio，NR）到達無線接入設備，可以是有源天線處理單元（active antenna unit，AAU）、微型遠端射頻單元（pico remote radio unit，pRRU）、遠端射頻單元（remote radio unit，RRU），進入集中式單元/分布式單元（centralized unit/distributed unit，CU/DU）進行基帶處理，經(jīng)過5G核心網(wǎng)（5G core network，5GC）轉發(fā)至外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（data network，DN）。

在5G組網(wǎng)方案中，主要使用的無線接入設備類型、典型射頻性能指標及典型應用場景見表1。

由表1可見，各種組網(wǎng)設備發(fā)射功率、天線增益、設備與公眾距離有較大差別，導致輻射強度也有較大差別。

表1 5G網(wǎng)絡無線覆蓋設備類型典型射頻性能指標及典型應用場景

3 電磁輻射影響與理論模擬計算

3.1 電磁輻射對人體影響與國家標準要求

移動網(wǎng)絡通過無線電波通信，使用戶可以隨時隨地連接網(wǎng)絡、溝通世界，已成為公眾生活中一個重要的組成部分。包括5G在內(nèi)的移動通信基站所發(fā)射的無線電波是電磁波的一種，但與X射線或γ射線輻射等電離輻射不同的是，無線電波不會打破化學鍵，也不會給人體造成電離輻射傷害。但鑒于移動電話用戶普及率極高，公眾對基站電磁輻射的關注度越來越高。

世界衛(wèi)生組織過去20年來進行了大量研究，以評估移動電話是否具有潛在的健康風險。迄今為止，尚未證實移動電話的使用對健康造成任何不良后果，但認為各國相關部門應采取措施保護其公民避免有害強度的射頻場對健康造成影響。

國家標準《GB 8702-2014 電磁環(huán)境控制限值》，規(guī)范了包括5G網(wǎng)絡在內(nèi)的電磁輻射環(huán)境影響的最高限值，詳見表2。

表2 電磁環(huán)境控制限值

電場強度在數(shù)值上等于電場中某一點的單位電荷在那一點所受的電場力，理想電荷的電量、體積均充分小，可忽略它對電場分布的影響并精確描述各點的電場。功率密度指一個從放射源向平面狀物體照射時，每單位面積所得到的放射束數(shù)量的物理量。

電場強度E與功率密度Seq以式（1）進行換算。

其中，Z0為自由空間的波阻抗，為377 Ω。

后文將以應用較為普遍的功率密度為單位計算。

根據(jù)具體所用頻段不同，不同運營商的頻段輻射限值有些許的區(qū)別。根據(jù)安全原則，選取頻段中能夠得出最小功率密度限值的頻率下沿進行計算，詳見表3。

表3 5G移動通信各頻段的電磁環(huán)境控制限值

3.2 模擬計算理論基礎

根據(jù)目前國際上5G主要使用的3.5 GHz頻段計算，以f=3 500 MHz為例（對應的安全功率密度為0.467 W/m2），分析研究各種覆蓋場景下輻射強度水平情況。

天線的輻射場分為3個區(qū)域，分別是電抗性近場、輻射近場（菲涅耳區(qū)）以及輻射遠場（弗瑯和費區(qū)）。其中電抗性近場為天線口徑面至λ/2π（約1.4 cm）之間。輻射近場和遠場邊界如式（2）所示。

其中，D為天線口徑（cm），λ為波長（cm）。

以3.5 GHz頻段AAU為例，天線口徑為9 cm，近遠場邊界約為19 cm。在實際案例中，基本沒有公眾可到達設備天線附近19 cm范圍內(nèi)的場景，因此本文僅討論遠場環(huán)境。

根據(jù)行業(yè)標準《HJ/T 10.2-1996 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》，微波頻段遠場軸向功率密度（mW/cm2）計算式如式（3）所示。

其中，P為發(fā)射機平均功率（mW），G為天線增益（倍數(shù)），r為測量位置與天線軸向距離（cm）。

由圖2可見，根據(jù)球面波理想模型計算輻射強度值時，設想在無限均勻介質(zhì)中心存在一個全向發(fā)射天線，向球面任意一點增益相同，球面等距離各點距離發(fā)射機越遠，功率密度隨球面面積增大而衰減越大。

圖2 遠場軸向功率密度理想、實際計算模型

在實際網(wǎng)絡中，多采用指向性較好的天線增強覆蓋效果，以減小與周邊使用相同頻率基站的干擾。因此，主瓣正對方向，不同距離、不同角度的功率密度可根據(jù)式（3），考慮天線增益后計算得出，可形成如圖2(b)的模型。由于在現(xiàn)實環(huán)境中，大氣中的粉塵、水汽、人體、樹木和建筑物等阻擋物均會對輻射強度造成不同程度的衰減，所以，實測值會明顯低于理論值。

以中國電信、中國聯(lián)通使用的3.5 GHz頻段為例，上下行采取TDD時分復用的工作方式，采用5 ms雙周期幀結構，上下行時隙配比為3:7，基站只在下行時發(fā)射功率，如圖3所示。

圖3 3:7雙周期幀結構示意圖

由于上下行時隙轉換周期5 ms遠小于國家標準規(guī)定的輻射測量周期6 min（見表2注2），所以基站發(fā)射功率長期平均值≈額定功率×70%。如果基站額定功率為200 W，計算時可將實際平均發(fā)射功率認為140 W。

3.3 主瓣方向安全距離

根據(jù)5G覆蓋典型設備的主要參數(shù)，以0.467 W/m2為限值標準，基站上下行時隙配比3:7，按照表1所給定的天線增益計算，主瓣方位安全距離及距離與功率密度關系如圖4所示。

圖4 典型覆蓋設備主瓣方位距離（m）與功率密度（W/m2)關系

4 典型場景安全區(qū)分析與理論計算

根據(jù)以上計算結果，繼續(xù)以3 500 MHz頻點，時隙配比為3:7的基站，分析在高桿站、低矮桿站、電話亭基站、室內(nèi)微基站等各場景的安全距離。

4.1 高桿站場景

典型高桿站天線增益示意圖如圖5所示。由圖5可見垂直增益主波瓣位于垂直面約95°方位，增益15 dBi，第一下旁瓣位于垂直面約120°方位，增益約?3 dBi，與主瓣差18 dB（63倍）；第二下旁瓣位于垂直面約125°方位，增益約?2 dBi，與主瓣差17 dB（50倍）。由于距離基站較近的位置往往方位角大于125°，增益比主瓣低17 dB以上，可忽略不計，僅需根據(jù)主瓣計算安全距離。

圖5 典型高桿站天線增益

如圖6所示，典型高桿站場景主要考慮水平安全距離，主要保護天線正對方向建筑等可能在主瓣正對方位公眾活動區(qū)域的安全。主瓣方向角及主瓣安全距離共同影響水平安全距離。

圖6 典型室外宏基站場景

根據(jù)圖4可得天線的主瓣方向安全距離，高桿站天線主瓣安全距離為27.49 m。以綜合下傾角15°計算，水平安全距離為26.55 m。據(jù)此，在天線正對方向，與基站距離26.55 m范圍內(nèi)不應存在相同高度或略低于基站的有人建筑物。

此外，高桿站天線掛高一般在20 m以上，下傾角一般不大于15°。天線下旁瓣的增益顯著低于主瓣15 dB以上，無須考慮對于近點地面的輻射。

4.2 低矮桿站場景

如圖7所示，低矮桿站場景主要有最低安全掛高和水平安全距離兩項。最低安全掛高，主要保護在低矮桿場景中，在地面近點活動公眾的安全；水平安全距離，主要保護天線正對方向建筑內(nèi)活動公眾的安全，可以通過主瓣安全距離計算水平安全距離及天線最低掛高。

圖7 典型低矮桿站場景示意圖

根據(jù)圖7可得，40 W小型RRU的主瓣方向安全距離為7.75 m，以天線掛高15 m、綜合下傾角15°計算，水平安全距離為7.48 m。據(jù)此，在天線正對方向，與基站距離7.48 m范圍內(nèi)不應存在相同高度或略低于基站的有人建筑物。

如果由于客觀因素受限，天線掛高低于15 m，可計算最小安全掛高：

根據(jù)國家規(guī)范，人體高度考慮為1.7 m，下傾角為15°的情況下，最小安全掛高為3.7 m。由圖8可見塔下近點天線增益約為?5 dBi以下，計算可得該位置功率密度小于0.10 W/m2，符合安全要求。

4.3 電話亭基站

由于5G電話亭基站天線掛高無法調(diào)整，僅為2.2 m，距離公眾更近，此類基站的輻射問題，得到了社會的廣泛關注。

由圖8可見垂直增益主波瓣位于垂直面約7°方位，增益12 dBi，第一下旁瓣位于垂直面約15°方位，增益約0 dBi，與主瓣差12 dB（16倍）；由于電話亭的限制，主要通過使用優(yōu)化發(fā)射功率的方法控制輻射強度。

圖8 典型小型RRU天線垂直增益

根據(jù)圖9，在公眾位于電話亭門口時，約在第一下旁瓣方位，天線距人體約為0.7 m（水平距離約為0.5 m），天線增益約為0 dBi，同時考慮電話亭玻璃鋼美化罩造成約5 dB的衰減，根據(jù)前文功率密度計算式，需優(yōu)化發(fā)射功率至8 W以內(nèi)，就能控制輻射強度至0.45 W/m2以內(nèi)。

圖9 典型電話亭站點場景

同時由于電話亭基站一般位于密集城區(qū)，天線主瓣方向輻射可能影響附近略高于地面位置的安全，例如附近存在臺階或自動扶梯等情況。需要額外考慮主瓣方向安全距離，在8 W功率下主瓣安全距離為3.46 m。據(jù)此，在天線正對方向，與基站距離3.46 m范圍內(nèi)應保持地面相對平整，或電話亭高于附近地面，避免主瓣照射高臺、扶梯等公眾可能到達的高處位置。

在電話亭內(nèi)，由于人體與天線間存在不銹鋼頂板阻擋，衰減在30 dB（1 000倍）以上，且該處天線增益低于0 dBi，故無須考慮該處輻射問題。

4.4 室內(nèi)微基站理論計算

室內(nèi)微基站多采用pRRU覆蓋，設備大多為吸頂安裝，主瓣垂直向下方輻射，如圖10所示。

圖10 室內(nèi)微基站天線示意圖

由于室內(nèi)場景公眾可達的最近距離在設備正下方，垂直安全距離和主瓣安全距離一致。pRRU安裝高度應大于輻射安全距離+人體高度（1.7 m），常見pRRU射頻指標與安全距離見表4。

表4 常見pRRU射頻指標與安全距離（天線增益：5 dBi）

以額定發(fā)射功率2 W、天線增益5 dBi的典型pRRU計算，安全距離為0.869 m。工程實踐中pRRU天線安裝的高度應大于2.569 m。若層高較低，可通過相應地降低pRRU功率控制輻射強度低于安全限制，如降低到0.5 W，那么輻射值與有吊頂阻擋時高度相當。

考慮到大部分場景室內(nèi)天線安裝位置與公眾可達位置間存在有石膏板、細木工板等裝飾吊頂材料阻擋，一般衰減為5～13 dB，為充分考慮安全防護，以理想的3 dB衰減來計算，最低安裝高度為2.134 m，明顯低于大多數(shù)商業(yè)建筑層高。

5 實地測試驗證

根據(jù)以上理論分析結果，針對室外宏基站場景、室外桿站場景、電話亭場景和室內(nèi)微基站分別進行現(xiàn)場測試驗證。根據(jù)國家標準，測試中國電信3 400～3 500 MHz基站，單次測試時間為1 min，取6次測試平均值得到最終結果。

從結果來看，由于理論計算基于理想環(huán)境，而現(xiàn)場環(huán)境中影響因素較多，實測值相比理論值略小。

5.1 典型高桿站場景測試情況

選取典型自立桿塔站型場景，使用RRU+外置天線，發(fā)射功率200 W，天線增益15 dBi，天線掛高約25 m，下傾角15°。由于現(xiàn)場無法找到高空位置測試，主要測試地面輻射情況。測試設備放置在距地面1.7 m進行測試（考慮人體高度1.7 m）。測試結果見表5，均符合安全規(guī)范。

表5 室外場景地面實測值

5.2 低矮桿站場景測試情況

選取典型低矮桿站場景，使用小型RRU，發(fā)射功率40 W，天線增益11 dBi，下傾角15°，天線掛高15 m。由于桿站無法找到高空位置測試，主要測試地面輻射情況。測試設備放置在距地面1.7 m進行測試（考慮人體高度1.7 m）。測試結果見表6，均符合安全規(guī)范。

表6 桿站場景地面實測值

5.3 典型電話亭基站場景測試情況

選取典型電話亭基站場景，覆蓋設備為小型RRU，天線掛高2.2 m，增益11 dBi，功率計算結果設為8 W，有一層玻璃鋼美化罩阻擋（衰減值5 dB以上）。測試設備天線高度2.2 m，位于主瓣正對方位。由于美化罩導致實測值低于理論值，理論值?5 dB（3倍）衰減后，與實測值基本契合。測試結果見表7。

表7 電話亭場景主瓣方向?qū)崪y值

然后進行公眾可達位置、配置不同的發(fā)射功率測試，測試設備天線高度1.7 m。測試結果見表8，在功率低于8 W的情況下，測試結果均符合安全規(guī)范。

表8 電話亭場景優(yōu)化功率后公眾可達位置輻射強度實測值

最后，在8 W功率下，進行覆蓋效果測試。測試結果如圖11所示。線條為RSRP，色塊表示SINR，可見在功率降低至8 W的情況下，仍能保證100 m內(nèi)的覆蓋效果，可以發(fā)揮對電話亭站的設計要求，有效起到補盲疏忙的作用。

圖11 電話亭場景覆蓋效果實測值

5.4 典型室內(nèi)覆蓋場景測試情況

選取典型室內(nèi)覆蓋場景，覆蓋設備為pRRU，天線掛高2.6 m，增益5 dBi。首先使用升降測試設備天線高度的方法測試各高度的功率密度。測試結果見表9。在2.5 m凈高（考慮人體高度1.7 m）時輻射安全；在1 W發(fā)射功率下，輻射也安全。

表9 室內(nèi)場景功率密度實測值

然后進行覆蓋效果測試，測試結果見表10。

在發(fā)射功率降低至1 W的情況下，仍能保證30 m內(nèi)的RSRP大于?100 dBm，覆蓋效果良好，足夠滿足pRRU布放間距的設計要求。

6 結束語

經(jīng)過以上分析和現(xiàn)場測試，為了有效地兼顧公眾電磁輻射安全和5G網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量，對于5G網(wǎng)絡規(guī)劃有如下主要建議。

· 高桿站建設位置，應該距離建筑物26.55 m以上。

· 低矮桿站建設位置，應該距離建筑物7.48 m以上，最小掛高3.7 m以上。

· 電話亭基站建設位置，應該距離周邊高臺（臺階、扶梯等）3.46 m以上；發(fā)射功率不超8 W；電話亭應采用金屬作為頂，隔離基站輻射。

· 室內(nèi)覆蓋pRRU建設位置，在無吊頂阻擋的情況下，掛高應高于2.5 m，或者降低功率到1 W以下。

如果建筑物正對基站的墻面沒有窗戶、陽臺等，可以不考慮間隔距離。

隨著5G無線網(wǎng)絡建設快速推進，公眾對于基站輻射高度關注。合理部署基站位置，打造高效、綠色的5G網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，造福大眾。誠然，5G發(fā)展剛剛起步，新的站型會不斷出現(xiàn)，輻射安全問題研究也需要與時俱進，在大規(guī)模組網(wǎng)中進一步對各類設備、各種場景進行科學的分析測試，同時確保用戶良好感知和公眾健康安全。