鄧曉欽，高 鵬

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測(cè)中心站，成都 611139)

前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，第五代移動(dòng)通信技術(shù)迅速走進(jìn)我們的生活。5G 是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)之后的延伸。為了方便信號(hào)覆蓋，城市主要街道和居民區(qū)基站敷設(shè)密度不斷增加，由此所帶來(lái)的電磁輻射問(wèn)題不斷受到人們的廣泛關(guān)注和社會(huì)重視[1]。

5G通信的主要技術(shù)之一，是應(yīng)用了大規(guī)模MIMO技術(shù)。其主要特點(diǎn)是：(1)天線通道數(shù)量多，相比傳統(tǒng)基站的天線基本是2天線、4天線或8天線，而大規(guī)模MIMO通道數(shù)達(dá)到64/128/256個(gè)，形成天線陣列；(2)傳統(tǒng)的MIMO我們稱之為2D-MIMO，信號(hào)類似一個(gè)平面發(fā)射出去，只能在水平方向移動(dòng)，而大規(guī)模MIMO，在信號(hào)水平維度空間的基礎(chǔ)上引入垂直維度的空域進(jìn)行利用；(3)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)波束賦形，形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，從而使基站與UE (User Equipment，用戶設(shè)備或終端設(shè)備)之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，并隨用戶位置的不同而不同，將能量定向投放到用戶位置，相對(duì)傳統(tǒng)寬波束天線可提升信號(hào)覆蓋，同時(shí)降低小區(qū)間用戶干擾。

從圖1～圖3可以看出傳統(tǒng)基站天線與5G智能天線基站的波束覆蓋差異，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)關(guān)鍵是5G通信基站使用了智能天線和3D波束賦形技術(shù)，天線發(fā)射功率和發(fā)射方向可以隨著用戶需求調(diào)節(jié)，即基站天線的實(shí)際發(fā)射功率和發(fā)射方向都是隨著基站覆蓋范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)終端的業(yè)務(wù)需求而改變的。當(dāng)基站覆蓋范圍內(nèi)沒有終端業(yè)務(wù)需求時(shí)，基站是處在一個(gè)信號(hào)“廣播”狀態(tài)，會(huì)以一個(gè)很低的負(fù)載在基站的覆蓋范圍內(nèi)不斷的進(jìn)行掃波，此時(shí)基站的實(shí)際發(fā)射功率很低；當(dāng)基站在覆蓋范圍內(nèi)掃描到業(yè)務(wù)終端的業(yè)務(wù)需求時(shí)，基站天線會(huì)迅速與業(yè)務(wù)終端建立連接，并向有業(yè)務(wù)需求的每一個(gè)終端方向單獨(dú)發(fā)射電磁波信號(hào)，天線的實(shí)際發(fā)射功率與終端業(yè)務(wù)需求的類型直接相關(guān)。

圖1 傳統(tǒng)基站天線波束覆蓋示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna coverage of a traditional base station

圖2 5G智能天線基站廣播掃描覆蓋示意圖Fig.2 5G smart antenna base station broadcast scan coverage diagram

圖3 5G智能天線基站業(yè)務(wù)波束覆蓋示意圖Fig.3 5G smart antenna base station service beam coverage diagram

基站主要由室內(nèi)部分和室外部分組成: 室內(nèi)部分是指基站機(jī)房，里面放置了各種數(shù)據(jù)處理設(shè)備，一般位于單元樓頂層某間房屋內(nèi); 室外部分即基站天線，一般架設(shè)在樓頂面。機(jī)房設(shè)備與天線通過(guò)有線連接形成一個(gè)完整的基站; 基站通過(guò)架設(shè)在樓頂面的發(fā)射天線與用戶手機(jī)進(jìn)行無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)某休d方式，就是通過(guò)電磁波，也就是通常所稱的 “電磁輻射”[2]。對(duì)前幾代移動(dòng)通信基站進(jìn)行電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，只需要按照監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，在相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上，使用儀器直接讀數(shù)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而對(duì)于5G通信基站，智能天線會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)終端所處位置不同、業(yè)務(wù)需求不同，來(lái)進(jìn)行波束賦形，發(fā)射不同能量電磁波信號(hào)；5G通信基站在運(yùn)行期間，其發(fā)射功率、天線增益等都隨時(shí)根據(jù)用戶情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。針對(duì)這些特點(diǎn)，現(xiàn)行的移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法完全滿足5G通信基站電磁輻射環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并且不能真實(shí)反映出5G移動(dòng)通信基站電磁輻射水平。因此，我們開展了5G智能天線覆蓋區(qū)域有業(yè)務(wù)終端接入后，進(jìn)行波束引導(dǎo)的監(jiān)測(cè)方式，進(jìn)行電磁輻射實(shí)測(cè)研究。

1 方法及數(shù)據(jù)

1.1 監(jiān)測(cè)依據(jù)

《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》HJ/T10.2-1996[3]；

《移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法》HJ972-2018[4]。

目前國(guó)內(nèi)外均沒有正式出臺(tái)過(guò)專門針對(duì)5G移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境的監(jiān)測(cè)方法，故監(jiān)測(cè)依據(jù)僅作參考。

1.2 監(jiān)測(cè)條件

選作測(cè)試的5G通信基站基本情況：

(1)天線架設(shè)高度為11.7m(其中一個(gè)扇區(qū)天線)；

(2)基站所在樓頂主射方向無(wú)遮擋，最遠(yuǎn)測(cè)量點(diǎn)位與天線面板水平距離為35m；

(3)基站設(shè)備：中興64T64R類型5G天線；

(4)工作頻段：3 400～3 500MHz，后臺(tái)功率170W；

(5)波束引導(dǎo)測(cè)試終端：中興5G手機(jī)。

1.3 監(jiān)測(cè)場(chǎng)景

1.3.1 第一次測(cè)量

在該5G基站發(fā)射天線64個(gè)天線陣子全部激活發(fā)射時(shí)，選取與基站間不同水平距離的點(diǎn)位進(jìn)行，此時(shí)無(wú)業(yè)務(wù)終端接入；

1.3.2 第二次測(cè)量

在保持第一次測(cè)量時(shí)基站所處工況的條件下，引入業(yè)務(wù)終端進(jìn)行波束引導(dǎo)得情況下開展，選取第一次測(cè)量相同點(diǎn)位，并使業(yè)務(wù)終端在距離監(jiān)測(cè)儀器探頭臨近的不同位置處，執(zhí)行下載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(基站下行業(yè)務(wù))，記錄點(diǎn)位測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.4 監(jiān)測(cè)儀器

NBM550主機(jī)，EF1891綜合場(chǎng)強(qiáng)探頭，頻率范圍為3～18 000MHz，量程為 0.25～250V/m，該測(cè)量探頭能夠有效覆蓋被測(cè)量基站工作頻段；儀器由中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院校準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)時(shí)處于校準(zhǔn)有效期內(nèi)；另外配有激光測(cè)距儀、皮尺、激光定位儀等輔助儀器。

1.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)時(shí)，分別在與被測(cè)量天線面板水平距離8m、15m、30m這3個(gè)位置按照上述監(jiān)測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)測(cè)后得到如下表數(shù)據(jù)。

表 測(cè)量數(shù)據(jù)Tab. Measured data

2 結(jié)果討論

根據(jù)圖4可以看出，可以看出，在無(wú)引導(dǎo)的情況下，測(cè)量值相對(duì)較低；當(dāng)業(yè)務(wù)終端在同一測(cè)量點(diǎn)位臨近位置執(zhí)行下載業(yè)務(wù)時(shí)，測(cè)量值則大幅增加。

圖4 有終端接入及無(wú)終端接入情形下同一點(diǎn)位測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of measured data at the same point with and without terminal access

根據(jù)圖5～圖7可以看出，對(duì)于同一測(cè)量點(diǎn)位，當(dāng)業(yè)務(wù)終端與該測(cè)量點(diǎn)位距離不同時(shí)，該點(diǎn)位的測(cè)量值也不同：

圖5 終端位于測(cè)量?jī)x器前方1m和與終端重疊時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of measured data when the terminal is located 1m in front of the measuring instrument and overlaps with the terminal

圖6 終端位于測(cè)量?jī)x器前方1m和后方1m測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.6 Comparison chart of measured data with the terminal located 1m in front and 1m behind the measuring instrument

圖7 終端位于測(cè)量?jī)x器前方2m和后方2m測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison chart of measured data with the terminal located 2m in front and 2m behind the measuring instrument

距離天線面板水平距離8m 的測(cè)量點(diǎn)位，終端與儀器所處位置相同時(shí)，測(cè)值為67V/m，終端在儀器前方1m時(shí)，測(cè)值為40V/m，終端在儀器后方1m時(shí)，測(cè)值為82V/m；距離天線面板水平距離15m 的測(cè)量點(diǎn)位，終端與儀器所處位置相同時(shí)，測(cè)值為16V/m，終端在儀器前方1m時(shí)，測(cè)值為19V/m，終端在儀器后方1m時(shí)，測(cè)值為25V/m；距離天線面板水平距離30m 的測(cè)量點(diǎn)位，終端與儀器所處位置相同時(shí)，測(cè)值為4.5V/m，終端在儀器前方1m時(shí)，測(cè)值為6.5V/m，終端在儀器后方1m時(shí)，測(cè)值為6.2V/m。

顯然，這一系列由業(yè)務(wù)終端帶來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)變化也證明了5G天線的智能波束賦形功能的高效性。當(dāng)業(yè)務(wù)終端位置稍有變化，天線指向業(yè)務(wù)終端的波束也就發(fā)生了變化，波束的變化帶來(lái)的直觀反映就是同一點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)值的大幅變化。

3結(jié) 論

3.1 使用終端進(jìn)行波束引導(dǎo)，在5G通信基站的監(jiān)測(cè)中，是非常必要的。

3.2 終端的引入，使5G通信基站的監(jiān)測(cè)復(fù)雜化，對(duì)環(huán)境的影響也比傳統(tǒng)基站復(fù)雜，有必要加強(qiáng)理論和實(shí)踐研究。特別是5G通信基站的監(jiān)測(cè)引入終端過(guò)后，終端與測(cè)量點(diǎn)位的位置關(guān)系及距離應(yīng)該加以規(guī)范。

3.3 使用何種終端、終端使用通話業(yè)務(wù)、上行業(yè)務(wù)、下行業(yè)務(wù)、使用多少臺(tái)終端等條件才能客觀地反應(yīng)出某一5G基站的電磁輻射水平，這需要進(jìn)一步大量開展5G基站監(jiān)測(cè)工作，總結(jié)、修訂規(guī)范等研究工作。