本文來源：5G工業物聯
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引言
5G第五代移動通信技術是第四代（4G LTE）網絡的重大演進。
5G旨在滿足現代社會在數據和連接方面的爆發式增長、擁有數十億連接設備的物聯網（IoT）以及未來的創新。在2019年8月召開的「5G網絡創新研討會」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注，更有人認為5G基站更多、頻率更高，擔心電磁輻射更嚴重，這導致5G移動通信基站部署面臨選址困難的問題。
5G建網將迎來井噴，據估計，2020年全國計劃新建5G基站總數或超80萬個，恰逢5G大力發展之際，公眾對5G基站電磁輻射產生了高度關注，各類關於5G基站輻射的說法甚囂塵上。
5G移動通信網絡的部署將見證現有第四代（4G）網絡的演進和擴展，以及毫米波段新無線接入網絡的引入。
由於使用了更高的頻率範圍，基站的數量將大幅度增加。
5G性能的實現，當然要靠新技術和更多的基礎設施。這就是頻率更高的毫米波技術和更密集的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。
新網絡將包括大量的基站單元和先進的天線技術。大規模多輸入多輸出(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生不同於4G系統的影響。
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。
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國內外射頻電磁場暴露限值
2.1 國外限值
5G系統將使用國際無線電保護標準組織規定的頻率，國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)和電氣與電子工程師學會(IEEE)已經制定了國際兩大主流(基站)電磁輻射技術標準:ICNIRP 1998導則和IEEE C95.1-2005：美國電氣與電子工程師學會標準，並根據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導則和IEEE C95.1-2005限值
平均限值應在6分鐘內測量。注意在6GHz時ICNIRP 1998導則和IEEE C95.1-2005標準之間存在差異。
2.2 國內限值
我國電磁輻射相關標準主要是參考IEEE和ICNIRP等機構的標準，總體上比國際標準趨嚴。在射頻段，《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）是我國電磁輻射領域最基礎、最重要的標準，其標準限值如表2所示。
表2 –《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）
《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）指出，通信頻段功率密度應≤47uW/cm2，美國這一標準為1000uW/cm2，兩者相差了20倍。考慮到基站信號會有相互疊加的水平出現，現在移動通信基站建設時執行的都是國標五分之一的標準，即小於8μW/cm2。舉例：某國內運營商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。
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5G基站的射頻電磁場輻射
3.1 5G信號的生物電磁學研究
迄今為止，世界衛生組織、歐盟新興和新發現健康風險科學委員會(SCENIHR)和國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）均得出結論：如果低於ICNIRP標準規定的限值，公眾與無線網絡及其使用相關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生的影響研究可以追溯到幾十年前，而且還在繼續。無害影響的觀點是建立在對手機頻率進行了大量科學研究的基礎上的。
當前，對頻率高於24GHz的生物學研究較少，—些國家計劃支持這一領域的生物學、流行病學和劑量學研究。在5G頻率範圍的具體研究方面，WHO的門戶網站列出了大約350項關於毫米波EMF健康相關的研究。對於5G技術的一些具體實現和影響，可能還需要進一步的研究。
3.2 國內外5G頻段分布
（1）國外頻段分布
5G系統將使用更密集的網絡，擁有大量微型基站，本地化程度更接近用戶。
在建築物內部，可能有許多室內微型基站。在人口較少的地區，宏基站和微小區都將繼續部署，因此網絡將高度異構。5G需要3個關鍵頻率範圍內的頻譜，以提供廣泛的覆蓋範圍並支持所有計劃的服務：低於1GHz、1~6GHz和高於6GHz。
1GHz以下將支持城市、郊區和農村地區的廣泛覆蓋，並通過更好的建築覆蓋率幫助支持物聯網服務。
1~6GHz提供了覆蓋率和容量優勢的完美結合。這包括3.3~3.8GHz範圍內的頻譜，有望構成許多最初5G服務的基礎。
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：5G的一些潛在頻段與已經使用的移動技術的頻率相似。今天的第三代（3G）和4G移動技術通常在700MHz和2.7GHz之間的幾個頻段上運行。Wi-Fi在2.45和5GHz下工作。這些波段將用於覆蓋範圍和容量。
雖然5G網絡可以部署在700MHz並提供全國覆蓋，但由於其技術特性（廣泛的地域範圍、建築物和其他障礙物的良好滲透），信道帶寬可能會將數據速率限制在50Mbit/s至10Mbit/s，這個頻段應該是新的數字服務的理想選擇，這些服務依賴於非常好的覆蓋範圍（例如，車聯網）,並且已經用於4G和4G+。
3.6GHz左右的頻譜在密集的城市地區提供了增強的容量，根據可用的射頻信道寬度，可能提供1Gbit/s。許多國家已經在這一頻段開展了工作，並在部署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，目前主要用於衛星和點對點無線電鏈路。毫米波頻率範圍對於5G移動系統應用特別重要。它們將使系統容量大幅度增加，至少作為補充頻段。目前正在研究將其用於短距離區域和室內應用。
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，一些研究已經開展。所有的實驗和未來網絡的部署都使用現有標準中已經提到的頻率。
（2）國內分布
國內5G頻段大致分為兩段：
低頻段的Sub 6G（FR1：450 MHz-6GHz）；
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；
中國聯通：3 500~3 600 MHz，共100M。
中國電信與中國聯通共建共享以後，雙方的頻譜資源有望整合共享提供服務。
3.3 5G射頻電磁場暴露評估
5G技術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）已經制定並更新了相關限值的符合性標準。
［IEC 62232］將頻帶擴展到100GHz。
［IEC TR 62669］包含支持［IEC 62232］中5G合規性評估的案例研究。
3.4 5G部署的預期射頻電磁場暴露水平
5G新技術帶來了許多優勢，但也可能引發公眾對射頻電磁場暴露的質疑。重要的是要解決這些問題，並提供可能的電磁輻射暴露水平。5G網絡是專門為最小化發射機功率而設計的，採用了全新的天線和核心架構，非常高效，傳輸最小化，從而降低了電磁輻射水平。
基站主設備由BBU和AAU組成。BBU主要負責基帶數位訊號處理，比如FFT/IFFT，調製/解調、信道編碼/解碼等。AAU主要由DAC（數模轉換）、RF（射頻單元）、PA（功放）和天線等部分組成，主要負責將基帶數位訊號轉為模擬信號，再調製成高頻射頻信號，然後通過PA放大至足夠功率後，由天線發射出去。
5G使得手機上的天線設計越來越複雜，尤其是在5G高頻的毫米波頻段，此時連機身背蓋材質的選用，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計與優化，以達到整體的輻射性能最優。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。基於之前無線技術的轉變，我們可以預期，5G部署的預期射頻電磁場總體暴露水平將與4G網絡保持大體相當，並將遠低於國際標準規定的電磁輻射限值。
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「大規模」多輸入多輸出（MIMO）智能天線來同時發送和接收更多數據。對用戶的好處是，更多的人可以同時連接到網絡並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據。5G技術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，有利於減少網絡幹擾和非預期方向的電磁發射。此外，［IEC TR 62669］和［ITU-T K-Sup.16］規定了基於實際最大發射的等效全向輻射功率（EIRP）（直接或從最大發射功率導出）的射頻暴露評估方法，同樣適用於具有大規模MIMO系統的基站，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，採用三個扇面，每個扇面覆蓋120。採用MIMO波束成形技術，波束髮射方向可調，方向取決於業務方向。可以根據需求設置為多個波束，如2波束、4波束甚至8波束。波束在垂直方向上的可調，與水平面夾角可調節範圍可能是5°~ 30°，在基站下方，過了波束可調範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，是天線周圍的區域，在該區域之外，EMF水平處於或低於限值，並且公眾無法進入。這些區域通常位於城市或郊區屋頂天線周圍。它們的形狀和尺寸可使用適當的工具進行協調和計算，同時考慮到天線頻率和輻射最大功率。需要注意，並非所有天線都具有物理「符合性邊界」。例如，通信杆塔上的那些，特別是在農村地區，不需要任何物理邊界，因為一般公眾無法進入該區域。此外，一些其他發射機沒有任何符合性邊界，因為發射功率很低，是豁免的。
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應用場景舉例
4.1 5G小站
5G時代，隨著業務多樣化的出現，用戶對流量需求的提高，小站密集組網將成為解決這些問題的重要手段。
5G網絡將依賴一個由宏站和小站組成的異構網絡，以確保容量。5G擁有更大帶寬、更多通道數、更分散的頻率，從而對5G小站實現難度大幅升級，另外隨著物業談判的難度增加，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3GPP定義，每個天線埠的發射機輸入功率小於6w的基站）。
在接下來的幾年裡，這些小站天線的安裝將在行動網路中成倍增加，在密集的城市地區迅速向每個宏站搭配10個小站的方向發展。小站非常適合覆蓋範圍和容量問題。它們與用戶的接近性使它們能夠提供更好的質量，並減少手機的輻射功率。對於移動用戶來說，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出的功率和總的電磁輻射。
室外的小站經常帶有偽裝，幾乎可以安裝在任何類型的建築內。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，不需要任何安全規定。微小區的推出是5G成功的關鍵，在3.6GHz頻段5G會有很多微小區，在f>24GHz的更高頻段會有更多小區帶來數據容量。
[IEC 62232]和[ITU-T K.100]規定了基站符合電磁輻射限值的安裝等級，適用於根據國際指南（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，如所有設備的EIRP或現場的安裝高度。低功率的5G小站設備（安裝等級E0）可以安裝在任何地方（如住宅小區），非常像WLAN設備。對於高功率5G小站設備，則必須考慮製造商規範、最低高度要求和安全距離。這些現場設計參數通常在產品技術文件中提供。
4.2 物聯網
物聯網涉及通過多個固定和無線網絡連接到網際網路的多臺機器、設備和設備的協調。其中包括日常物品，例如傳感器、可穿戴設備、車輛、建築物、執行器和監視器，嵌入物聯網連接，允許它們發送和接收數據。
一些物聯網系統，需要廣泛的地理或良好的建築覆蓋率，將主要實施在較低的頻段。因為物聯網設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該有明顯的變化。低功耗等能源問題是物聯網設備的核心問題，因此物聯網設備引起的電磁輻射暴露通常比其他設備和系統要低得多。此外，物聯網設備將以基於事件、周期性和自動通信模式進行通信。因此，通常要交換的數據量是非常小且周期性的。
可穿戴設備將位於離人體非常近的位置，但由於它們功率低，傳輸持續時間短，射頻電磁場暴露將非常低。依據《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）,等效輻射功率低於100W的物聯網（可穿戴）設備，免於電磁環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，其他可穿戴設備將採用國際技術標準進行測試。
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小結
5G基站相關的射頻電磁輻射關鍵信息小結如下：
現有的《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）不針對特定技術，適用於5G基站電磁輻射限值；
5G宏基站周邊的電磁輻射水平遠低於ICNIRP標準規定的限值，不會對公眾健康造成不利影響；
5G小站電磁輻射水平及電磁輻射特性不會與現有Wi-Fi有顯著差異；
依據《電磁環境控制限值》（GB8702-2014）,等效輻射功率低於100W的5G小站和物聯網（可穿戴）設備，免於電磁環境管理。
社會公眾對5G新技術可能帶來的電磁輻射影響的關注程度無法預料，此前3G和4G移動通信的部署已經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以為常，移動通信設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技術和人類接觸射頻電磁波的相關電磁輻射研究和科普宣傳。
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參考文獻：
[1] LTE移動通信基站電磁輻射監測方法研究。黃亮，《環境與發展》，2017年第04期
[2] 國家標準GB 8702-2014《電磁環境控制限值》
[3] HJ 972-2018《移動通信基站電磁輻射環境監測方法》
[4] HJ/T 10.3-1996《輻射環境保護管理導則 電磁輻射環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，長期從事通信系統雷擊保護技術研究，目前代表中國電信集團公司擔任ITU-T SG5 "電信系統雷擊防護」聯合報告人，編輯；主編多項國際、國內通信防護行業標準；近年來在國內核心期刊發表專業技術論文10餘篇。
羅森文：中國電信股份有限公司研究院，中國通信標準化協會電磁環境與安全防護技術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標準。
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