1、综述152023 年第 1 期 安全与电磁兼容1移动通信演进中的电磁环境及电磁兼容发展移动通信发展至 5G，通信网络呈现大规模、高复杂度及多样化特征，电磁环境日趋复杂，移动通信面临的电磁兼容问题也日益突出。电磁兼容设计从模糊向量化、从基于问题解决积累经验的设计向仿真预防正向设计、从黑盒测试向白盒化解析转变。段向阳 中兴通讯股份有限公司副总裁、国家重大专项专家组成员、正高级工程师。1999 年毕业于清华大学（硕士），北京邮电大学在读博士生。负责中兴通讯无线系统关键技术规划与预研工作，拥有超过20年的移动通信关键技术和产品研发经验；曾获中国电子学会科技进步一等奖、陕西省科技进步一等奖、深圳市科技进
2、步一等奖。发表核心期刊论文二十余篇，获得国家发明专利二十余项。摘 要：阐述了移动通信发展过程中电磁环境的变化，以及伴随的移动通信电磁兼容的发展，并从三个方面对 5G 移动通信面临的电磁挑战进行了讨论：一是电磁环境的复杂性、融合性；二是 M-MIMO 架构下 5G 基站的电磁兼容挑战与解决方案；三是 5G 移动通信电磁环境标准的研究与演进。最后，探讨了未来移动通信几种可能的新场景以及需要面对的电磁环境挑战，提出了 EMC 分析方法及工具可能的演进路径，即从基于工程最优思想的设备电磁兼容顶层设计，到室内近场时间反演的自适应时空聚焦，再到大尺度可编程电磁环境。关键词：5G 基站；6G；电磁环境；电磁
3、兼容；有源天线单元引用格式:段向阳,郭伟,杜浩,等.5G 到 6G 演进的电磁兼容性挑战 J.安全与电磁兼容,2023(1):15-21,26.DuanXiangyang,GuoWei,DuHao,etal.EMCChallengesof5Gto6GEvolutionJ.SAFETY&EMC,2023(1):15-21,26.(inChinese)Abstract：Thispaperfirstdescribestheevolutionoftheelectromagneticenvironmentduringthedevelopmentofmobilecommunicationsandthede
4、velopmentoftheelectromagneticcompatibility.Then,theelectromagneticchallengesof5Gcommunicationarediscussedfromthreeaspects,1)thecomplexityandintegrationoftheelectromagneticenvironment,2)EMCchallengesandsolutionsfor5GbasestationintheM-MIMOarchitecture,3)theresearchandevolutionof5Gcommunicationelectrom
5、agneticenvironmentstandards.Finally,thepossiblenewscenariosandelectromagneticenvironmentchallengesforfuturemobilecommunicationsarediscussed,apossibleevolutionpathofEMCanalysismethodsandtoolsisgiven,fromelectromagneticcompatibilitytop-layerdesignbasedontheoptimalengineeringideatoadaptivespace-timefoc
6、usingwithindoornear-fieldtimereversaltolargescaleprogrammableelectromagneticenvironment.Keywords：5Gbasestation;6G;electromagneticenvironment;electromagnetic compatibility(EMC);activeantennaunit(AAU)5G 到 6G 演进的电磁兼容性挑战EMCChallengesof5Gto6GEvolution1中兴通讯股份有限公司2移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室段向阳1,2 郭伟1,2 杜浩1 唐余兵1 马
7、俊1 徐加征1基金项目：科技部重点研发计划（2018YFB1801600）Overview16SAFETY&EMC No.1 20231.1 移动通信演进中的电磁环境变化移动通信从最初 2G 发展至如今的 5G，整个通信网络的规模、复杂度及多样化也与日俱增。2G 的移动通信仅有 200 kHz 的窄带宽，典型频段为 800 MHz，采用大平面蜂窝组网的形式，单站覆盖半径可达 5 km，站点密度比较低，基站设备本身的形态也较为单一。而且整个社会的电子信息化程度比较低，通信基站周遭的电磁环境也不复杂。这些特征都决定了当时的移动通信电磁环境是较为单一、相对可量化的简单模型1。随着用户需求的增长和移动
8、通信技术的演进，3G/4G 时代则表现出了明显不同的特点2，首先是移动通信频率、制式及频段的变化，典型频段有 1.8 GHz、2.1 GHz 等，多制式混模，频谱带宽 520 MHz，网络特征为大小蜂窝共存的平面组网方式。此时的设备形态有了多样化的趋势，如补盲补热、室内增强等。单站覆盖半径在 12 km 左右，密度明显大于 2G 时代。移动通信电磁环境也随之多样化和复杂化，因为仍然以解决“人”的通信需求为主，所以虽然自身网络形态相对复杂，但仍然有相对固定的模式，且可以和外部非通信网络电磁环境互相解耦。到了 5G 时代则大不相同，应用场景爆发下的 5G移动通信网络表现出几个最典型的特征：大带宽（
9、达到100 MHz）；大规模 MIMO（多进多出）架构的天线阵列；几十个频段共存（如 2.6 GHz、3.5 GHz、4.8 GHz、28 GHz 等）；各类通信制式混模；满足高速率用户需求的单站覆盖半径大约在 0.5 km 左右，密度也明显增加；组网模式丰富多样，呈现出大小蜂窝共存的立体组网模式3，如图 1 所示；移动通信的服务对象已经不仅限于“以人为主”，各领域融合下的人人、人物、物物通信更是复杂多变、规模庞杂。这些特征决定了 5G 时代的移动通信网络已经与整个社会的电磁大环境融为一体，电磁环境的分析和解耦变得异常困难。1.2 移动通信电磁兼容的发展伴随着电磁环境的复杂化进程，移动通信面临
10、的电磁兼容问题也日益突出。2G 时代，设备在较大的体积下实现较单一的功能，芯片的制程及电路的集成化程度还不是很高，加之整个网络组成相对简单，所以移动通信电磁环境整体呈现的是“弱耦合特征”。电磁兼容所面临的问题也主要集中在两大类，一类是设备内部的模块级或者板级 EMC 问题，一类是设备与外部环境之间的 EMC 问题。总之，EMC 主要关注点仅限于单设备的表现，处理 EMC 问题时，主要集中在基于实测表现的评价、基于问题排查与解决的设计改进及相对黑盒的处理方法4。3G/4G 时代，设备内部的集成化及设备外部网络的多元化更加明显，较小的体积实现更多的功能，要求内部 EMC 设计更加高效化、精确化；组
11、网密度增大，移动通信和其他各类网络、设备共存，电磁环境整体呈现“较强耦合特征”。此时的移动通信电磁兼容，则从关注单设备表现过渡到注重多设备交互，面临模块级、设备级、电路级、网络级四大类问题。设备内部的模块、电路逐渐摒弃模糊设计，EMC 指标量化；从传统基于经验的设计规则和问题解决模式升级为基于仿真的正向风险评估5；设备内部的 EMC 特性白盒化6成为了电磁兼容工作的重点。同时，频谱优化、共站干扰等网络级EMC 问题也迫在眉睫。5G 时代，通信设备在极小的空间内实现上百倍的通信容量，要求系统具备高度集成的基带处理芯片及中射频芯片、数十 Gbit/s 处理速率的高速数字电路7，EMI、EMS 问题
12、变得不可忽略且矛盾突出；一体化的天线设计使设备内部的电磁场强跨度非常大，从负几十 dB（V/m）到上百 V/m，更高和更宽的频谱占用，使得设备的频率跨度从几 kHz 到几十 GHz；立体组网模式下，个人、商业、工业、交通、能源等多领域应用，各类电磁环境互相融合、干扰和互扰的模式更加突 出8。在这些背景下，5G 移动通信所面临的电磁兼容问题，具备集器件级、电路级、模块级、设备级、网络级、场景融合级六大类问题为一体的“强耦合特征”，这一复杂特性要求我们必须进行全新的电磁兼容架构设计，即从器件到场景的自下而上设计，和从网络到芯片自顶向下的顶层规划与分解9-10。25G 移动通信的电磁环境与电磁兼容挑
13、战随着数字经济发展，5G 移动通信网络及设备部署到千行百业，行业内的电磁环境更加复杂化；复杂的电磁环境对 5G 设备的电磁兼容设计提出了更高的挑战，同时复杂的电磁环境和多样性的设备形态引发诸多电磁兼容问题，导致设备的性能下降，需要研制标准对环境和设计进行规范和统一。电磁环境、5G 设备及标准都面临一些亟待解决的新问题。2.1 5G 移动通信面临的电磁环境挑战近年来，国家积极推动 5G 规模化应用于 ToB（面向企业用户）垂直行业，不断在工业、能源、交通、医图 1 从大蜂窝平面组网到大小蜂窝共存的立体组网综述172023 年第 1 期 安全与电磁兼容疗、农业等各行各业推进应用，覆盖了陆地、海洋、
14、高山、高空等空天地更广泛的物理区域。这种在时域、频域、能量域和空域上，分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成的复杂电磁环境，其干扰源十分复杂，既有雷电、太空高能粒子、静电之类自然电磁干扰源，又有雷达、通讯、广播、电子对抗等射频源和定向脉冲弹之类的人为电磁干扰源，它们都可以通过电磁耦合直接作用于通信设备，导致设备工作异常或硬件失效。因此，5G 移动通信网络面临史无前例的复杂电磁环境影响。5G 移动通信应用于工业互联网的现场、车间、厂房等场景，电磁环境较为复杂，无线网络的干扰源较多，各种大型器械、金属管道等对无线信号反射、散射造成的多径效应严重，点火系统、马达、器械运转时产生
15、电磁噪声也会对移动通信产生干扰。因此，智能制造工业现场环境对移动通信提出了很大的挑战，工业环境各有不同，可能对移动通信造成特殊障碍。在移动通信设备、网络组网及实际部署时，要考虑电磁干扰对设备及无线传输性能的影响。在智能制造等工业互联网领域，如铝厂电解槽车间，低压大电流的电解臂是电磁主要干扰源，通过实测其电解车间的磁场强度，变动范围极大（最大 8 200 T），严重影响周围终端传感器、通信设备、电脑及手机等日常电子设备的工作，甚至发生死机或重启等故障。在汽车制造焊装车间，除了运营商通信系统和WiFi 通信系统的无线信号及杂散干扰外，还存在电焊机、变频器、稳压器、电子开关、伺服驱动器等干扰源，整体
16、呈现大带宽高强度的电磁干扰特性11。工业互联网产业联盟（AII）以及中国通信标准化协会(CCSA)对此类电磁干扰影响十分重视，由业界主流通信厂商、企事业单位联合研究，输出有色金属行业、汽车制造行业等 5G+工业互联网典型场景电磁环境白皮书和相关电磁环境行业标准。在能源行业，如核电厂的厂内移动通信设计和改进，当传统有线或 WiFi 通信受限时，5G 移动通信技术将会覆盖核岛、常规岛等整个厂区。核反应堆附近或核泄漏现场都存在高放射性的特点，其放射性物质会产生大量的、和中子射线。在此环境下，5G 移动通信设备需要具有较强的耐辐照能力，才能满足长期可靠工作的要求，器件级选型、电路级设计到系统级屏蔽的耐辐照技术都需要考虑进来。业内主要通信厂商及科研单位，已在 CCSA 指导下，针对电力行业、核电站行业进行电磁环境调研、行业标准制定等工作。在交通行业，牵引变电所将电网的几十千伏单相工频交流电（高达数百甚至数千安培的电流），直接施加到轨道车辆接触网及钢轨回流路径上，是轨交环境最大的潜在干扰源。同时弓网电弧电磁干扰也会产生更加复杂的宽频电磁干扰12，这些都会直接影响处于轨道旁、机车上及与轨交电路互联的
