Frequency-Selective and Broadband Measurements of Radio Frequency Electromagnetic Field Levels in the University Campus
Doruntinë Berisha等 2024年发
普里什蒂纳大学电气与计算机工程系，科索沃
摘要
对于绿色和可持续的无线赋能校园而言，射频电磁场暴露水平的特征描述被认为是至关重要的。为了调查大学校园的电磁特性，我们采用了宽带和频率选择性方法分别进行了面向环境和以人为中心的测量活动。宽带结果是在处理了6分钟平均测量的电场和磁场值的样本后得出的，这些样本是在大学的室内外不同地点使用宽带测量仪采集的。宽带测量的比较分析显示，在3 GHz以下频段的校园户外电场水平平均约为1.67 V/m，至少是宿舍、实验室和教室等室内环境记录值的两倍。在88 MHz–6 GHz范围内学生的暴露模式是在对超过34万个电场样本进行后处理后得出的，这些样本是在各种校园环境中每隔5秒使用窄带频率选择性测量设备采集的。按无线技术和环境比较累积分布函数，结果显示Wi-Fi是室内环境中学生个人暴露水平的主要贡献者，并超过了校园户外环境中2G–5G移动通信发射的电场。所呈现的结果可以用于大学校园或类似环境中的暴露意识异构网络规划与优化。
1. 引言
数字和绿色的转型得到了快速发展和普及的智能无线通信技术的支持，这些技术嵌入在日常生活环境和活动中，特别是被年轻一代所青睐。无线技术操作在无线电频率（RF）谱中，并发射电磁场（EMFs）；因此，评估人类对RF-EMF的暴露被认为是一个相关的研究问题，并且越来越多地被视为多参数网络规划和优化的主要权衡因素之一[1, 2]，有助于安全和通信生态系统和环境。
研究识别对RF-EMF暴露敏感区域的方向是针对具有多个和不同发射源的高密度人口微环境，如学校、医院和购物中心。特定无线赋能工作场所和环境的潜在最坏情况下的个人暴露于RF-EMF的结果在[3]中提出，而针对学前教育机构环境的室内外测量和RF-EMF个人暴露的结果在[4-6]中提出。
大学校园通常是多频率区域，用户密度高，通信技术多样，被居住和频繁访问的年龄段既被认为对RF-EMF敏感，也是技术的重度使用者。然而，据我们所知，已发表的解决校园内不同微环境（如宿舍、实验室、教室、校园餐厅/咖啡厅）中EMF暴露水平的研究数据非常有限，甚至很少有研究解决生活在大学校园中的学生的RF-EMF暴露问题。
展示了成人人口的平均RF-EMF暴露结果，以及在各种环境（如公共交通、办公室、咖啡店、户外和家居环境）中对无线通信电场的个人暴露进行频率选择性评估的结果，这些结果在[7]中提出。在其中，作者将移动通信和无线局域网络（WLANs）确定为EMF水平的主要贡献者。然而，这项研究并没有解决大学校园内部的RF-EMF个人暴露水平问题。不同的研究分析了不同日常微环境中的个人RF-EMF暴露，以及测量仪器的特性和限制，但他们并没有解决推导学生人群RF-EMF暴露水平的方法[8-13]。
最近发表了一项研究，比较了三年内在室内学院环境中仅来自WiFi信号的个人暴露于RF-EMF的情况[14]。针对大学校园或针对位于RF发射基础设施附近的区域的试点测量结果（主要是BTS暴露水平的评估），包括大学校园中的极少数样本，这些结果在[15-20]中提出。
与这些工作不同，我们使用宽带和频率选择性方法来测量和分析大学校园内的暴露模式，这是一个据我们所知至今鲜少被调查的微环境。此外，我们使用我们的数据来比较和对比这两种广泛使用的测量方法。
总结来说，我们的研究目标有两方面：一是描绘校园内学生人群的RF-EMF个人暴露模式，二是同时记录校园环境中的宽带电场（E场）和磁场（H场）水平，并推导大学校园的EMF特性。为了实现第一个目标，我们在校园环境中进行了密集的测量活动，使用个人暴露计（PEMs）捕获了约350,000个E场样本，这些样本在80 MHz至6 GHz频率范围内的14个预定频带中。为了实现第二个目标，我们同时使用射频测量仪在相同的测量环境中进行了宽带测量活动。宽带测量包括480个样本，用于推导EMF的平均值和累积分布函数（CDF）曲线。因此，我们的测量活动同时面向环境（校园地点的宽带测量）和以人为中心（评估学生对RF-EMF的暴露）。
此外，获得的结果被用于比较分析RF-EMF测量方法和仪器。
这项研究的结果可以用来支持在不同环境之间进行更广泛的RF EMF暴露特性比较分析，包括大学校园、幼儿园、学校和像医院这样的EMF脆弱微环境。
2. 材料和方法
2.1. 测量环境和数据收集
测量在普里什蒂纳大学校园内进行，这是一所大型综合性大学，拥有超过30,000名学生，14个学院分布在几个校园建筑中。在起草测量协议之前，我们采访了学生，以确定他们每天大部分时间所在的大学环境。由于这些采访，我们将测量活动集中在大学宿舍——室内和室外区域；电气与计算机工程系的实验室、教室和学习设施。我们选择这个学院是因为高科技设备和射频源的存在更为频繁。其中一个测量地点是大学食堂（"mensa"），学生在那里每天至少花费一个小时用餐。我们还包括了大学校园附近的咖啡馆。测量环境包括室内和室外、视线（LOS）和非视线（NLOS）位置，以及多源RF-EMF环境，而EMF样本是在一天中的不同时间、周末和工作日记录的。一些测量地点如图1所示。
数据收集发生在2023年的四个月期间。由于目标是捕捉学生人群（18-25岁）和大学校园的RF-EMF特性，在真实生活场景中，参与者被指示在技术使用和生活方式方面保持正常行为。对于每个测量值，记录包括：日期、时间、地点，以及测量点周围环境的简要描述，例如附近是否有基站（BTS）或广播传输塔，以及测量时活跃的技术用户数量。
使用特定的测量探针和宽带测量方法，我们在大学校园的不同地点捕获了E场和H场样本。使用频率选择性个人暴露仪器，我们在校园室外地点捕获了90,720个E场样本，在宿舍内捕获了161,280个E场样本（主要在宿舍房间内），在系楼设施内，如实验室、教室和系大厅捕获了90,272个E场样本。室内环境中收集的样本数量较多是有意的，因为据我们所知，关于学生宿舍内个人RF-EMF暴露的研究数据非常有限。
2.2. 测量设置和设备
为了确定大学校园中存在的电磁场发射源的频率范围，使用了NARDA SRM 3006频谱分析仪来扫描高达6 GHz的频率范围。对于大多数地点，在100 kHz–3 GHz的频率范围内检测到了显著的信号活动，除了在室内环境中偶尔出现的5 GHz的Wi-Fi信号。目前，所有广播和移动通信提供商都在3 GHz以下的频率范围内运营，除了最近推出的5G移动测试服务，它们也在3400 MHz的频带中运营。
测量活动在空间和时间上并行进行，使用宽带和频率选择性窄带设备，在所有技术和实验场景的远场暴露条件下进行。
对于宽带测量，样本是用辐射计NARDA EMR-300捕获的。为了测量E场（V/m），使用了测量频率范围为100 kHz–3 GHz的E场探针。为了捕获H场样本，我们使用了另一个探针，该探针测量频率范围为27 MHz–1 GHz的H场水平（A/m）。所有宽带结果都是6分钟的时平均值[21]，而测量期间的仪器保持在离地1.5米的高度。所有记录的值都在测量仪器的检测限范围内。
为了捕捉学生对RF-EMF的暴露，使用了Satimo EME-SPY 140 PEMs。这个仪器测量E场水平，有三个轴向探针，在14个预定义的频率带中，范围为88 MHz–6 GHz，并且能够区分上行和下行信号水平。
其上检测限为6 V/m，而下检测限因频带而异，范围从0.005 V/m到0.02 V/m。
每隔5秒进行的RF-EMF个人暴露测量被用来产生总暴露结果和学生暴露于表1中描述的频率带的结果。
3. 结果
经过后处理后，样本值被用来推导平均值和分布类型结果，以比较和对比不同微环境中检测到的E场和H场水平以及来自不同无线技术的发射。我们首先在3.1小节中呈现宽带测量活动的结果，然后在3.2小节中呈现电磁场个人暴露测量活动的结果。
3.1. 大学校园宽带测量的结果
不同大学校园环境中的E场宽带测量结果如图2所示。
图2.（a）各种校园室内环境的宽带E场水平（V/m）和（b）宿舍室内外环境的E场水平（V/m）比较分析
E场最高测量值（6分钟平均值）为4.1 V/m，记录在宿舍房间内，场景中有产生流量的手机和笔记本电脑。各种室内大学环境的E场平均值分别为：食堂/咖啡厅0.97 V/m，宿舍0.88 V/m，学院场所0.41 V/m。
宿舍外E场水平的平均值为1.67 V/m。所有室外测量都是在距离最近的可识别BTS至少100米的地方进行的。结果显示，大学校园室外E场暴露水平是室内宿舍记录水平的两倍，是学院场所记录水平的四倍。在小室内环境（宿舍房间和校园咖啡厅）中捕获了E场值（6分钟平均值），这些地方有中到高数量的学生通过智能设备产生数据流量。
作为结论，虽然在室内环境中学生可能会经历短时间的高E场水平，这也取决于各种技术的使用模式，平均而言，室外区域的暴露水平更高。呈现的结果与研究中给出的结果[19]非常一致。在提到的研究中，使用NARDA SRM 3006进行测量，使用高级算法进行后处理，表明校园中最大电磁场值为4.314 V/m，标准偏差为1.157 V/m，而平均电磁场水平为1.024 V/m。
需要注意的是，由于设备限制，宽带测量不包括5 GHz的WiFi，这可能会增加室内E场水平。
室外测量排除了部分5G移动信号，因为EMR 300测量仪器只测量到3 GHz。在相同环境下进行的H场宽带测量结果如图3所示。
图3.（a）各种大学校园室内环境的H场水平（mA/m）；（b）大学宿舍室内外环境的H场水平（mA/m）比较分析
对于远场RF-EMF暴露水平，电场和磁场的幅度比等于自由空间的固有阻抗（377欧姆）。由于在我们的测量活动中使用了在不同频率范围内敏感的特定探针，我们呈现了大学校园的E场和H场特性的结果。H场样本并不是在E场样本的确切位置采集的，但位于相同环境中。从图3（a）可以看出，室内校园环境中的大多数H场样本在8–13（mA/m）的范围内。
室内环境的平均H场值，从最高到最低排名为：咖啡厅内13.32（mA/m），学院场所9.25（mA/m），宿舍8.66（mA/m）。大学校园室外的平均H场值为10.25（mA/m）。总结来说，我们可以得出结论，对于100 kHz–1 GHz的大学所有环境，平均H场值可以取为10（mA/m）。
如图3所示，宿舍室内环境中70%的宽带E场测量值小于1 V/m，而户外捕获的宿舍值70%小于2.4 V/m。食堂记录的宽带E场水平70%低于2 V/m。 大学宿舍室内环境中80%的H场水平小于8（mA/m），而大学户外环境测量的H场水平80%小于12（mA/m）。
3.2. 大学环境中学生RF-EMF个人暴露的结果
为了研究学生RF-EMF的个人暴露情况，我们在室内校园环境（学院场所和宿舍）和室外校园环境（主要是宿舍区）中测量了由88 MHz–6 GHz频率范围内操作的技术发射的E场水平。由于之前已发布过关于该环境的数据[7]，因此排除了食堂的结果。
学生在室内校园环境中的RF-EMF暴露情况如图5所示，而图6展示了学生在室内外校园环境中个人暴露的比较分析。
从这两个图中可以看出，在所有校园环境中的主导技术是WLAN（5 GHz和2.4 GHz）和移动通信（2-4G）。呈现的数据包括在研究区域操作的2G-4G下行和上行E场的比较特性，这些操作在900 MHz和1800 MHz的频率范围内。
在图5(a)中，我们可以看到室内学院环境中最高的E场值是由Wi-Fi信号产生的，这些信号来自接入点和用户设备。个人暴露计PEMs的上检测限为6 V/m，在某些测量场景中超过了这个值。关于学院场所内的移动通信技术，最高值记录在下行和上行2G-4G在1800 MHz频带上的操作，没有检测到显著的5G信号。这可能是因为5G仍处于试点阶段，可能在室内没有覆盖。从图5(b)可以看出，在宿舍内，由Wi-Fi和移动通信发射的E场是相当的，每种技术的90%发射E场样本小于1 V/m。
不同室内外大学校园环境的宽带E场和H场值的统计分析如图4所示。
图4. E场CDFs比较分析：(a) 室内大学环境；(b) 室内与室外大学宿舍部分（学生宿舍中心）的比较；H场CDFs比较分析：(c) 室内大学环境；(d) 室内与室外大学宿舍部分（学生宿舍中心）的比较
图5. E场水平的CDF：（a）教室内环境；（b）宿舍内环境（主要是宿舍房间）
从图6(a)中我们可以看出，在室外校园环境中，总RF-EMF暴露的主要贡献者是Wi-Fi 2 GHz和5 GHz发射的信号。在移动通信技术方面，主导技术是操作在1800 MHz（3G-4G）的技术，无论是在上行还是下行方向，它们产生的E场水平都比其他技术高。
图6. （a）户外大学校园学生RF-EMF暴露的CDF，其中一部分学生参与；（b）学生在各种环境中RF-EMF总暴露的CDF
从这幅图中我们可以看出，户外大学环境中Wi-Fi 2 GHz测量的E场样本中有50%高于1.1 V/m，而Wi-Fi 5 GHz E场值的25%高于1 V/m。我们将我们呈现的不同大学环境中的Wi-Fi结果与专注于大学校园Wi-Fi三年研究[14]的结果进行比较分析，并得出结论，两个研究结果都在同一范围内。
如图6(b)所示，从学生在各种大学环境中的RF-EMF总个人暴露来看，CDF曲线显示宿舍户外区域90%的值小于1.8 V/m，这与宽带测量得到的平均值一致。教室内很少有样本超过6 V/m的检测阈值，这导致在图6(b)中对总暴露的低估（<0.1%的样本）。
在室内环境中，捕获的50%的样本小于0.5 V/m，这再次与宽带测量结果一致，而90%的宿舍室内样本小于2 V/m。室内值高于宽带测量可以归因于这样一个事实：PEMs具有高达6 GHz的测量频率范围，包括Wi-Fi 5 GHz，而NARDA EMR的上限为3 GHz。然而，80%的室内宿舍样本小于0.9 V/m，这与宽带呈现的平均值一致。
图7.大学各种环境中E场水平的比较分析
宽带测量（BM）和频率选择性测量（FSM）E场CDF在各种大学室内外环境中的比较分析如图7所示。从图中可以看出，大多数环境下宽带和频率选择性测量数据之间有可接受的协议。对于室内记录的某些百分比样本的注释差异主要是由于宽带测量呈现了3 GHz以下的E场水平，并不包括Wi-Fi 5G。在[16]中报告的测量结果显示，室外大学校园区域的E场水平通常为2至2.5 V/m，宿舍为1.7至2 V/m。这与我们的结果一致，表明在室内大学环境中，70%的测量E场水平小于1.4 V/m，而70%的户外捕获E场水平小于2.2 V/m，尽管应用了不同的研究方法。
本文中呈现的所有测量RF-EMF值，无论是宽带和频率选择性，在室内和室外环境，在研究场景下，都远低于国际非电离辐射防护委员会规定的暴露水平[22]。
一篇最近发表的论文[23]，旨在研究敏感土地使用区域（如学校、大学和医院）在5G技术完全推出前的RF-EMF暴露情况，呈现了户外环境的宽带E场水平，范围从0.28 V/m到1.87 V/m。本文呈现的结果在RF-EMF暴露的相同范围内，考虑到5G推出的相似情况。另一种技术和解决方案，用于减少移动用户对RF-EMF暴露水平的接触，在这方面给出了有希望的结果，这是通过设计和实施多阻带频率选择性表面（FSS），如在[24, 25]中呈现的。
4. 结论
本文中呈现的室内外大学环境中的暴露水平和学生的暴露模式，是使用宽带和窄带频率选择性测量仪器进行的测量活动的结果。由于这两种方法在捕获的频率范围、上下限检测、结果后处理和技术限制方面各有优缺点，为了得出可靠的输出和测量数据以进行比较，我们使用了这两种方法。
各种室内大学环境的平均E场值分别为：餐厅为0.97 V/m，宿舍为0.88 V/m，教学楼内为0.41 V/m。在宿舍房间内捕获的最高宽带测量值为4.1 V/m；然而，由于它是使用3 GHz以下的宽带设备捕获的，我们无法识别源。使用PEMs，大学室内环境中Wi-Fi 2 GHz和Wi-Fi 5 GHz发出的某些瞬时E场值超过了6 V/m，这是PEM设备的上限检测限制。使用宽带测量设备捕获的90%的样本，计算了6分钟平均的E场水平，在宿舍室内外环境中低于2.7 V/m。
大学校园室内外环境中H场平均值的差异不大；因此，可以得出结论，在大多数校园环境中，100 kHz–1 GHz频率范围内的H场暴露水平可以取为10 mA/m。
对学生在各种大学校园环境中的RF-EMF暴露评估表明，即使在宿舍户外，E场水平的主要贡献者之一也是WLAN网络。户外宿舍中90%的个人暴露E场测量样本在Wi-Fi 2 GHz下低于1.5 V/m，Wi-Fi 5 GHz下低于1.2 V/m，所有移动技术在上下行频率下分别低于0.2 V/m。对于大多数暴露场景，通过本文中使用的两种方法：宽带和频率选择性测量，得到的结果之间有很好的协议。
在所有环境和研究场景下测量的RF-EMF暴露都低于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）为职业和一般公众暴露设定的最大允许暴露限制。
最近推出的5G移动通信服务，仍处于测试阶段，在这些测量中几乎看不到，这很可能是因为覆盖范围有限，因此它不被认为是校园上的主要污染技术。然而，随着技术的推出，我们认为有必要进行重复的测量活动，以捕捉5G技术的全部影响。（完）
