5G基站监测数据的处理方法及装置研发

何帅兴，李 海，曹明月，方灿琦，杨 庚

（杭州湘亭科技有限公司，浙江 杭州311100）

随着5G系统的发展和应用，移动通信技术的不断升级为人们的生活和工作带来了极大的便利，但同时基站电磁辐射也成为人们关注的重要问题之一[1-3]。基站是保证信息传输的重要建设，而为了保证基站的正常运行，保障基站周边居民电磁辐射处于国家标准范围内，需要对基站进行监测。对5G基站电磁辐射水平的研究目前尚处于初步发展阶段，目前国内已颁布HJ 1151—2020《5G移动通信基站电磁辐射监测方法》对5G基站电磁辐射测试的监测仪器、监测因子、监测布点、监测时长、监测高度和监测读数等基本测试要求制定了新的标准[4]。在新标准的要求下，原有的监测数据处理方法已不能较好地满足5G基站的需求[5]。

现有的基站监测通常是在建设基站量上抽取5%～30%的比例进行基站的电磁辐射监测，并通过人工处理得到可被记录的数据，然后在可被记录的数据中选取部分填入相应的报告中。但由于5G技术的不断发展，相应的5G基站也在积极建设中。对于5G基站而言，需要加大监测力度，同时监测时长扩展到标准规定的“任意6 min平均”。倘若依然采用人工处理的方式，不仅会加重工作人员的负担，甚至还可能达不到5G基站的要求。

为减轻工作人员人工处理数据的负担并提高处理效率，基于第一时刻和时间处理规则，开发了一种5G基站监测数据处理方法，并据此设计出一套基站监测数据的处理装置，为5G基站电磁辐射监测数据的处理提供支持。

1 监测数据获取

基站是保证信息传递的重要建设，而为了保证基站的正常运行，需要利用采集装置采集基站的监测数据，然后进行相应的分析并判定。值得说明的是，该监测数据的感应时间段应当为15 s或6 min，其对应的分析方法分别为最大值分析和平均值分析。

现有的采集装置包括主机和天线，且主机与天线一体设置。该采集装置主要适于15 s的感应时间段。但对于6 min的感应时间段而言，使用该采集装置会加重工作人员的负担，甚至会因采集装置的偏移而导致相应数据不准确。

为了克服现有技术的不足，本研究提供一种基站监测数据的采集装置，其可以适用于6 min的感应时间段，从而减轻工作人员的负担，提高相应数据的准确性。

由于基站的电磁波是空间传播的，因此在测量时需要从X、Y、Z这3个轴向上计算该点电磁波的有效值，现有的全向天线上已集成了3个方向的天线，因此，实际上可以同时获得3个不同方向的天线测量数据。

首先，通过天线得到单一频点的功率电平值（dBm）。根据监测标准，由于基站的电磁辐射监测读数和评价均需要电场强度，因此先需要进行功率单位到电场单位的转换，功率电平值（dBm）加上天线的天线因子就得到单一频点的电场强度值（dBuV/m）。再通过公式（1），将dBuV/m转换成V/m，此时得到的就是符合监测标准的电场强度。

式（1）中：E为监测点位单一频点的电场强度，V/m；x为监测点位单一频点的电场强度，dBuV/m。

其次，此时得到了不同空间轴方向上的电场强度，根据监测标准，评价电场强度是针对RMS方均根有效值进行评价。通过公式（2），将全向天线某一频点的电场强度有效值算出。

式（2）中：ERMS为监测点位单一频点的RMS电场强度，V/m；EX为X轴天线的电场强度；EY为Y轴天线的电场强度；EZ为Z轴天线的电场强度。

最后，此时得到了某一频点的有效电场强度，根据监测标准，基站的工作模式均是在一定的频段内工作，而基站电磁辐射监测就是为了监测分析整个基站工作频段的有效电场强度，通过公式（3），将基站工作频段的所有频点有效电场强度进行积分。

式（3）中：Es为监测点位某基站频段的电场强度；m为某基站频段内被测频点的个数；Ei为监测点位某一频点的有效电场强度。

至此，利用本方法已根据监测点位3个方向轴天线的监测电平值获得了该监测点位的电场强度。

根据5G基站的监测特性，结合HJ 1151—2020《5G移动通信基站电磁辐射监测方法》中关于“任意6 min平均”。在某个6 min内，以1 s为间隔，将第一个Es1至第360个Es360间所有Es数据进行算数平均运算，得到Esevg1，此后将第二个Es2至第361个Es361间所有Es数据进行算数平均运算，得到Esevg2，以此类推，可以持续获得基于算数平均运算的Esevgx。算数平均数据采样规则如图1所示。

图1 6 min监测规则

在得到基于算数平均的6 min滑动平均值Esevgx后，人工赋予程序能够接受的标准偏差（也称均方根误差）RMSE数值σ，σ反映了测量数据偏离真实值的程度，σ越小，表示测量精度越高，因此可用σ作为评定这一测量过程精度的标准。由于标准偏差σ等于真误差平方的算术平均值再开方，人工赋予的标准差数值即确定了可接受的真误差范围，程序便根据该范围挑选数据并自动记录，以最大程度确保自动记录规则的数据质量。

2 监测数据处理方法

图2给出了所开发监测数据处理方法的实现流程，具体如下。

图2 监测数据处理方法的实现流程

接收启动信号，并响应所述启动信号执行获取待处理的特征量，其中，启动信号的接收频率、与特征量对应的采集频率、特征量的生成频率相同。

获取待处理的特征量并记为第一特征量，并将与第一特征量对应的采集时刻记为第一时刻，特征量为基站频段的电场强度Es。特征量不是直接采集的，而是特征要素通过上文中的公式（3）以及公式（4）—（6）计算生成的，因此该特征量对应有采集时刻和生成时刻，其中采集时刻为该特征要素被采集的时刻，生成时刻为该特征量生成的时刻。

式（4）—（6）中：d为采集装置的天线因子；C为分电场强度；a为功率电平，dBm。

基于第一时刻和时间处理规则得到处理时间段，特征量按照采集时刻排列，且各个相邻采集时刻的时间间隔均相同，第一时刻为所述处理时间段的终止时刻。

查询采集时刻在所述处理时间段内的对应特征量，并组成特征量组。将采集时刻在处理时间段内的对应特征量组成预备组，计算预备组的离散要求，判断预备组的各个特征量是否均符合离散要求，若符合则将预备组转为特征量组。

计算特征量组的滑动平均值，并保存所述滑动平均值。特征量组的滑动平均值为特征量组的算数平均值或特征量组的均方根值。计算所述特征量组的标准偏差，保存标准偏差小于预设阈值的滑动平均值。

上述步骤是基于执行设备完成的，包括服务器、用户端、处理器等。用自动处理代替人工处理，从而减轻人工负担并提高工作效率，以便更好地适应5G基站；各个特征量分别对应有采集时刻、处理时间段、特征量组以及滑动平均值，且该滑动平均值即为可被记录的数据，利用该方法增加了可被记录的数据，以实现更全面的监测基站。

3 监测数据处理装置

为使承载监测数据处理程序方便工作人员使用，依据监测数据处理方法设计了监测数据处理装置。装置结构包括获取模块、处理模块、查询模块、计算模块、电子设备、处理器、存储器、输入装置、输出装置等部件。装置结构如图3所示。

图3 装置结构图

获取模块用于获取待处理的特征量并记为第一特征量，将与第一特征量对应的采集时刻记为第一时刻，特征量为基站频段的电场强度Es。处理模块用于基于第一时刻和时间处理规则得到处理时间段，特征量按照采集时刻排列，且各个相邻采集时刻的时间间隔均相同，第一时刻为处理时间段的终止时刻。查询模块用于查询采集时刻在处理时间段内的对应特征量，并组成特征量组。计算模块用于计算特征量组的滑动平均值，并保存滑动平均值。

电子设备可以是台式计算机、笔记本电脑、服务器（实体服务器或云服务器）等，甚至也可以是手机或平板电脑等，包括处理器、存储器、输入装置和输出装置。其中处理器的数量可以是一个或多个，通过总线或其他方式连接其余设备；存储器主要包括存储程序区和存储数据区，其中存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序，存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等；输入装置可以用于接收获取的相关数据；输出装置可以包括文档或显示屏等显示设备。

同时，通过数据线不仅实现主机（处理模块、查询模块、计算模块、电子设备、处理器、存储器等）和数据获取模块的数据传输，还实现了主机与获取模块的分离；由于数据线的长度大于或等于天线的监测高度，因此可以用单手举托天线或将天线放置于符合要求的监测位置处，然后可以将主机放置于基准面上，从而减小工作人员单手承受的质量，以减轻工作人员的压力，进而提高相对数据的精确度。

该装置是一款设计独特的选频测量系统，通过以上测量方法及相关装置，对高频尤其是共建基站的复杂电磁场进行安全分析和环境测量。测量范围可覆盖最新应用的广播、移动基站和NB-ⅠoT物联网工业领域。通过不同电磁辐射源的频谱特征峰找到不同电磁辐射源的贡献值，从而在比核辐射监测更为复杂的电磁环境中得到精准的结果，这个在环境监测纠纷及公众情绪维稳时能起到判定性作用。

4 总结

基站电磁辐射监测对移动通信技术的发展和公众安全具有重要意义。为实现基站监测数据的高效处理，减轻人工负担，基于第一时刻和时间处理规则，开发了一种5G基站监测数据处理方法，并据此设计出一套基站监测数据的处理装置。该方法及装置实现了5G基站监测数据的自动化采集、处理、输出，有效提高了监测数据处理效率。