5G基站与射频电磁辐射漫谈
来源:5G工业物联 作者:王华刚、罗森文等 日期:2020-09-11 浏览量:483

  一、引言


  5G第五代移动通信技术是第四代(4G LTE)网络的重大演进。


  5G旨在满足现代社会在数据和连接方面的爆发式增长、拥有数十亿连接设备的物联网(IoT)以及未来的创新。在2019年8月召开的“5G网络创新研讨会”上,中国工程院院士邬贺铨称我国的居民对基站电磁辐射很关注,更有人认为5G基站更多、频率更高,担心电磁辐射更严重,这导致5G移动通信基站部署面临选址困难的问题。


  5G建网将迎来井喷,据估计,2020年全国计划新建5G基站总数或超80万个,恰逢5G大力发展之际,公众对5G基站电磁辐射产生了高度关注,各类关于5G基站辐射的说法甚嚣尘上。


  5G移动通信网络的部署将见证现有第四代(4G)网络的演进和扩展,以及毫米波段新无线接入网络的引入。


  由于使用了更高的频率范围,基站的数量将大幅度增加。


  5G性能的实现,当然要靠新技术和更多的基础设施。这就是频率更高的毫米波技术和更密集的5G基站。也就是说,5G会使用更高通信频率、基站会更多更密,几乎随处可见。


  新网络将包括大量的基站单元和先进的天线技术。大规模多输入多输出(MIMO)天线将允许使用非常窄的波束,这些波束将聚焦用户,对基站周围的电磁辐射水平产生不同于4G系统的影响。


  本文希望就5G基站与射频电磁辐射做一些有益的研讨,以飨读者。


  二、国内外射频电磁场暴露限值


  2.1  国外限值


  5G系统将使用国际无线电保护标准组织规定的频率,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)已经制定了国际两大主流(基站)电磁辐射技术标准:ICNIRP 1998导则和IEEE C95.1-2005:美国电气与电子工程师学会标准,并根据5G频率下的比吸收率(SAR)、电场和磁场强度以及功率密度确定了暴露限值。ICNIRP 1998导则和IEEE C95.1-2005标准中的基本限值和暴露水平如表1所示。

表1–国际标准ICNIRP 1998导则和IEEE C95.1-2005限值


  平均限值应在6分钟内测量。注意在6GHz时ICNIRP 1998导则和IEEE C95.1-2005标准之间存在差异。


  2.2  国内限值


  我国电磁辐射相关标准主要是参考IEEE和ICNIRP等机构的标准,总体上比国际标准趋严。在射频段,《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)是我国电磁辐射领域最基础、最重要的标准,其标准限值如表2所示。

表2–《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)


  《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)指出,通信频段功率密度应≤47uW/cm2,美国这一标准为1000uW/cm2,两者相差了20倍。考虑到基站信号会有相互叠加的水平出现,现在移动通信基站建设时执行的都是国标五分之一的标准,即小于8μW/cm2。举例:某国内运营商5G的频段为3.5GHz,则满足国标的电磁辐射限值为:(1)电场强度:≤13V/m;(2)功率密度:≤47μW/cm2。


  三、5G基站的射频电磁场辐射


  3.1  5G信号的生物电磁学研究


  迄今为止,世界卫生组织、欧盟新兴和新发现健康风险科学委员会(SCENIHR)和国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)均得出结论:如果低于ICNIRP标准规定的限值,公众与无线网络及其使用相关的接触不会对公众健康造成不利影响。


  射频电磁场暴露在毫米波频率下可能对人体健康产生的影响研究可以追溯到几十年前,而且还在继续。无害影响的观点是建立在对手机频率进行了大量科学研究的基础上的。


  当前,对频率高于24GHz的生物学研究较少,—些国家计划支持这一领域的生物学、流行病学和剂量学研究。在5G频率范围的具体研究方面,WHO的门户网站列出了大约350项关于毫米波EMF健康相关的研究。对于5G技术的一些具体实现和影响,可能还需要进一步的研究。


  3.2  国内外5G频段分布


  (1)国外频段分布


  5G系统将使用更密集的网络,拥有大量微型基站,本地化程度更接近用户。


  在建筑物内部,可能有许多室内微型基站。在人口较少的地区,宏基站和微小区都将继续部署,因此网络将高度异构。5G需要3个关键频率范围内的频谱,以提供广泛的覆盖范围并支持所有计划的服务:低于1GHz、1~6GHz和高于6GHz。


  ①1GHz以下将支持城市、郊区和农村地区的广泛覆盖,并通过更好的建筑覆盖率帮助支持物联网服务。


  ②1~6GHz提供了覆盖率和容量优势的完美结合。这包括3.3~3.8GHz范围内的频谱,有望构成许多最初5G服务的基础。


  ③要满足5G计划的超高宽带速度,需要6GHz以上的带宽。重点将放在24GHz以上的频段。欧盟正在考虑26千兆赫频段,美国已确定28千兆赫频段为5G频段。


  低频频段f<6GHz:5G的一些潜在频段与已经使用的移动技术的频率相似。今天的第三代(3G)和4G移动技术通常在700MHz和2.7GHz之间的几个频段上运行。Wi-Fi在2.45和5GHz下工作。这些波段将用于覆盖范围和容量。


  虽然5G网络可以部署在700MHz并提供全国覆盖,但由于其技术特性(广泛的地域范围、建筑物和其他障碍物的良好渗透),信道带宽可能会将数据速率限制在50Mbit/s至10Mbit/s,这个频段应该是新的数字服务的理想选择,这些服务依赖于非常好的覆盖范围(例如,车联网),并且已经用于4G和4G+。


  3.6GHz左右的频谱在密集的城市地区提供了增强的容量,根据可用的射频信道宽度,可能提供1Gbit/s。许多国家已经在这一频段开展了工作,并在部署5G之前进行了新型天线的试验。


  高频段f>24GHz(毫米波):更高的频率,如24~86GHz,目前主要用于卫星和点对点无线电链路。毫米波频率范围对于5G移动系统应用特别重要。它们将使系统容量大幅度增加,至少作为补充频段。目前正在研究将其用于短距离区域和室内应用。


  在毫米波频率下,射频能量被身体表面吸收,大部分被皮肤吸收。毫米波频率将与增加的小单元部署一起使用,一些研究已经开展。所有的实验和未来网络的部署都使用现有标准中已经提到的频率。


  (2)国内分布


  国内5G频段大致分为两段:


  ①低频段的Sub 6G(FR1:450 MHz-6GHz);


  ②高频段的毫米波(FR2:24 250 MHz-52 600 MHz)。


  Sub 6G频段就是6GHz以下频段,相对毫米波频率更低,是常规的无线通信频段。目前工信部给三大运营商分配的试商用频段如下:


  中国移动:2 515~675 MHz、4 800~4 900 MHz,两段共260M;


  中国电信:3 400~3 500 MHz,共100M;


  中国联通:3 500~3 600 MHz,共100M。


  中国电信与中国联通共建共享以后,双方的频谱资源有望整合共享提供服务。


  3.3  5G射频电磁场暴露评估


  5G技术的电磁暴露评估可使用计算和测量方法进行。国际标准化组织(IEC、ITU、IEEE和CENELEC)已经制定并更新了相关限值的符合性标准。


  ①[IEC 62232]将频带扩展到100GHz。


  ②[IEC TR 62669]包含支持[IEC 62232]中5G合规性评估的案例研究。


  3.4  5G部署的预期射频电磁场暴露水平


  5G新技术带来了许多优势,但也可能引发公众对射频电磁场暴露的质疑。重要的是要解决这些问题,并提供可能的电磁辐射暴露水平。5G网络是专门为最小化发射机功率而设计的,采用了全新的天线和核心架构,非常高效,传输最小化,从而降低了电磁辐射水平。


  基站主设备由BBU和AAU组成。BBU主要负责基带数字信号处理,比如FFT/IFFT,调制/解调、信道编码/解码等。AAU主要由DAC(数模转换)、RF(射频单元)、PA(功放)和天线等部分组成,主要负责将基带数字信号转为模拟信号,再调制成高频射频信号,然后通过PA放大至足够功率后,由天线发射出去。


  5G使得手机上的天线设计越来越复杂,尤其是在5G高频的毫米波频段,此时连机身背盖材质的选用,甚至是背盖的厚度,及背盖到毫米波天线阵列的距离也要进行设计与优化,以达到整体的辐射性能最优。同时,5G毫米波对功率放大器的效率、射频器件的集成度都提出了更高的要求,无线信号的整体水平可能会有小幅度的局部提高。基于之前无线技术的转变,我们可以预期,5G部署的预期射频电磁场总体暴露水平将与4G网络保持大体相当,并将远低于国际标准规定的电磁辐射限值。


  3.5  MIMO天线的射频电磁场暴露


  5G部署将广泛地使用具有多个天线单元阵列的“大规模”多输入多输出(MIMO)智能天线来同时发送和接收更多数据。对用户的好处是,更多的人可以同时连接到网络并以更有效的方式保持高吞吐量。智能天线将有可能仅在用户的方向和使用期间传输所需的数据。5G技术与智能天线将更有效降低最小的射频电磁场暴露。


  波束赋形将天线波束聚焦在所需方向,有利于减少网络干扰和非预期方向的电磁发射。此外,[IEC TR 62669]和[ITU-T K-Sup.16]规定了基于实际最大发射的等效全向辐射功率(EIRP)(直接或从最大发射功率导出)的射频暴露评估方法,同样适用于具有大规模MIMO系统的基站,同时考虑到国际暴露限值中定义的时间平均。


  5G基站的波束成形技术,采用三个扇面,每个扇面覆盖120。采用MIMO波束成形技术,波束发射方向可调,方向取决于业务方向。可以根据需求设置为多个波束,如2波束、4波束甚至8波束。波束在垂直方向上的可调,与水平面夹角可调节范围可能是5°~ 30°,在基站下方,过了波束可调范围电磁辐射测量值会变小。


  3.6  辐射安全距离


  辐射安全距离又称为符合性边界,是天线周围的区域,在该区域之外,EMF水平处于或低于限值,并且公众无法进入。这些区域通常位于城市或郊区屋顶天线周围。它们的形状和尺寸可使用适当的工具进行协调和计算,同时考虑到天线频率和辐射最大功率。需要注意,并非所有天线都具有物理“符合性边界”。例如,通信杆塔上的那些,特别是在农村地区,不需要任何物理边界,因为一般公众无法进入该区域。此外,一些其他发射机没有任何符合性边界,因为发射功率很低,是豁免的。


  四、应用场景举例


  4.1  5G小站


  5G时代,随着业务多样化的出现,用户对流量需求的提高,小站密集组网将成为解决这些问题的重要手段。


  5G网络将依赖一个由宏站和小站组成的异构网络,以确保容量。5G拥有更大带宽、更多通道数、更分散的频率,从而对5G小站实现难度大幅升级,另外随着物业谈判的难度增加,电源和光纤的引入难度越来越高,5G小站密集组网对小站隐蔽性提出了更高的需求。小站天线是低功率接入点(例如,根据3GPP定义,每个天线端口的发射机输入功率小于6w的基站)。


  在接下来的几年里,这些小站天线的安装将在移动网络中成倍增加,在密集的城市地区迅速向每个宏站搭配10个小站的方向发展。小站非常适合覆盖范围和容量问题。它们与用户的接近性使它们能够提供更好的质量,并减少手机的辐射功率。对于移动用户来说,通过减少手机和基站天线之间的距离,小站可以减少手机发出的功率和总的电磁辐射。


  室外的小站经常带有伪装,几乎可以安装在任何类型的建筑内。与宏站相比,它们的电磁辐射较低,这使得它们的电磁辐射安全距离非常小,不需要任何安全规定。微小区的推出是5G成功的关键,在3.6GHz频段5G会有很多微小区,在f>24GHz的更高频段会有更多小区带来数据容量。


  [IEC 62232]和[ITU-T K.100]规定了基站符合电磁辐射限值的安装等级,适用于根据国际指南(ICNIRP)在有暴露限值的国家部署的小站。每个安装等级包括简单的标准,如所有设备的EIRP或现场的安装高度。低功率的5G小站设备(安装等级E0)可以安装在任何地方(如住宅小区),非常像WLAN设备。对于高功率5G小站设备,则必须考虑制造商规范、最低高度要求和安全距离。这些现场设计参数通常在产品技术文件中提供。


  4.2  物联网


  物联网涉及通过多个固定和无线网络连接到互联网的多台机器、设备和设备的协调。其中包括日常物品,例如传感器、可穿戴设备、车辆、建筑物、执行器和监视器,嵌入物联网连接,允许它们发送和接收数据。


  一些物联网系统,需要广泛的地理或良好的建筑覆盖率,将主要实施在较低的频段。因为物联网设备是非常低的功率和间歇性传输,其射频电磁场暴露水平不应该有明显的变化。低功耗等能源问题是物联网设备的核心问题,因此物联网设备引起的电磁辐射暴露通常比其他设备和系统要低得多。此外,物联网设备将以基于事件、周期性和自动通信模式进行通信。因此,通常要交换的数据量是非常小且周期性的。


  可穿戴设备将位于离人体非常近的位置,但由于它们功率低,传输持续时间短,射频电磁场暴露将非常低。依据《电磁环境控制限值》(GB8702-2014),等效辐射功率低于100W的物联网(可穿戴)设备,免于电磁环境管理和电磁辐射测试,意味着它们肯定符合射频电磁场暴露限值,其他可穿戴设备将采用国际技术标准进行测试。


  五、小结


  5G基站相关的射频电磁辐射关键信息小结如下:


  ①现有的《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)不针对特定技术,适用于5G基站电磁辐射限值;


  ②5G宏基站周边的电磁辐射水平远低于ICNIRP标准规定的限值,不会对公众健康造成不利影响;


  ③5G小站电磁辐射水平及电磁辐射特性不会与现有Wi-Fi有显著差异;


  ④依据《电磁环境控制限值》(GB8702-2014),等效辐射功率低于100W的5G小站和物联网(可穿戴)设备,免于电磁环境管理。


  社会公众对5G新技术可能带来的电磁辐射影响的关注程度无法预料,此前3G和4G移动通信的部署已经引起了一些国家和民众的焦虑;近年来,消费者对移动通信天线的存在越来越习以为常,移动通信设备的使用也无处不在。本文对5G基站及其电磁辐射水平作了一些粗浅的介绍和探讨,希望推动新的5G技术和人类接触射频电磁波的相关电磁辐射研究和科普宣传。


  参考文献:

  [1] LTE移动通信基站电磁辐射监测方法研究。黄亮,《环境与发展》,2017年第04期

  [2] 国家标准GB 8702-2014《电磁环境控制限值》

  [3] HJ 972-2018《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》

  [4] HJ/T 10.3-1996《辐射环境保护管理导则 电磁辐射环境影响评价方法与标准》

  [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        


  作者简介:

  王华刚:中国电信股份有限公司研究院,高级工程师,长期从事通信系统雷击保护技术研究,目前代表中国电信集团公司担任ITU-T SG5 "电信系统雷击防护”联合报告人,编辑;主编多项国际、国内通信防护行业标准;近年来在国内核心期刊发表专业技术论文10余篇。


  罗森文:中国电信股份有限公司研究院,中国通信标准化协会电磁环境与安全防护技术工作委员会电磁兼容工作组(CCSA TC9 WG1)副组长,高级工程师,长期从事通信防护技术研究和标准制定工作。


  陈少川:中国电信股份有限公司研究院,高级工程师,长期从事通信防护技术研究和标准制定工作,参与制定YD/T940、YD/T950、YD/T1082等多项通信防护行业标准。