用于人體暴露評估5G信號的電磁場(EMF)設(shè)計

原文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9277530

論文創(chuàng)新點

研究提出了一種基于通信系統(tǒng)的確定性模型以獲得簡單公式，只需要知道天線的服務(wù)區(qū)域角度擴展和包絡(luò)輻射模式即可。通過研究提出的模型獲得的公式可以得到功率衰減系數(shù)的有效近似值，使這些公式適用于人體暴露評估中5G小區(qū)內(nèi)電磁場的初步快速估計。

01

實驗方法

該模型是用在一些簡單的分析公式中，這些公式近似于通過在5G基站中使用有源天線系統(tǒng)確定的人體暴露評估衰減系數(shù)。與其他需要天線方向圖詳細知識的方法不同，所提出的公式只需要了解包絡(luò)輻射方向圖，也稱為波束包絡(luò)。根據(jù)功率密度評估衰減系數(shù)，EMF的降低可以直接評估為功率密度降低系數(shù)的平方根。

使用簡化的2D確定性自由空間傳播模型分析波束控制天線的使用對場水平的影響，如圖1所示。2D模型由大量用戶P組成(在圓周C上畫為彩色圓圈)，每個用戶覆蓋(?α、α)角度范圍；單位時間內(nèi)服務(wù)于P(單元的用戶總數(shù))以外的N個用戶，包括RU用戶(參考用戶，以紅色圓圈表示)；M=(P?1)/(N?1)為所有P用戶提供服務(wù)需要的時間；假設(shè)所有可能的輻射方向圖相對于主瓣對稱，并且與角度旋轉(zhuǎn)相等。文章提出的方法的基本思想是比較在觀測位置(角度)θ0接收到的功率密度，其中RU被放置在兩個不同的場景(各向同性天線和波束控制天線)中。

如上所述，對兩種情況中其他用戶在場的情況下(即N>1)，求觀測點的功率密度之比。這個比率稱為Fant：

表明EMF功率降低與基站服務(wù)的角度扇區(qū)擴展以及天線的方向性成反比。

圖1. 簡化的2D空間傳播模型。

該模型是為波束控制和波束網(wǎng)格天線開發(fā)的。在用戶眾多的情況下，F(xiàn)ant可以近似為：

其中D’(θ0)=β(θ0)D。實際上，根據(jù)上述近似，使用波束網(wǎng)格的效果相當(dāng)于減少公式中的方向性。D0與RU方向的包絡(luò)輻射模式一致。

模型還可擴展到分析每個用戶只有一層的多用戶大規(guī)模MIMO天線的情況，表明在對天線波束進行適當(dāng)假設(shè)的情況下，可以在不明確了解MIMO系統(tǒng)層數(shù)的情況下估計衰減參數(shù)。

其中，Dsb是供應(yīng)商提供的單波束天線方向圖的方向性。Dsb值可通過供應(yīng)商提供的包絡(luò)輻射模式圖獲得。

將估算2D幾何體中Fant所遵循的步驟并行化，只需稍作修改，就可以將積分擴展到3D，從而在N較大的相關(guān)情況下獲得以下近似值：

其中ω是天線所服務(wù)區(qū)域的立體角，Deq是等效方向性，其值取決于天線。

02

實驗結(jié)果

將文章提出的簡單確定性模型獲得的結(jié)果與統(tǒng)計模型的結(jié)果進行比較。如圖2為波束轉(zhuǎn)向情況，針對單位時間內(nèi)服務(wù)的不同用戶數(shù)N繪制了8個元素的均勻線性相位陣列和α=π/2情況下Fant的CDF；第95百分位的線顯示為黑色垂線。將黑線與N=200的情況(粗紅曲線)進行比較。

可以看出，單位時間內(nèi)的用戶數(shù)量越多，出現(xiàn)大量用戶集群的可能性越小。因此，當(dāng)N較大時，統(tǒng)計模型趨向于確定性模型。其中的CDF趨向于高度集中在π/(αD’)值上(圖中的垂直實線)，使得π/(αD’)成為大N時95百分位值的合理近似值。同樣的結(jié)論適用于波束網(wǎng)格天線和多用戶MIMO天線的情況，如圖3和圖4所示。

圖2. 波束轉(zhuǎn)向情況下8個元素的均勻線性相位陣列和α=π/2的Fant的CDF。

圖3.波束網(wǎng)格天線的情況下8個元素的均勻線性相位陣列和α=π/3的Fant的CDF(波束交叉為3dB，β=0.5)。

圖4. MIMO模型對覆蓋角為2α=2π、層數(shù)為L=2和L=3的8個和16個單元的ULA天線進行了模擬。

03

總結(jié)與展望

在人員安全合規(guī)性框架中的相關(guān)值是標準規(guī)定的一段時間內(nèi)測量點處的功率密度或場平均值。從測量數(shù)據(jù)開始，可以使用功率外推技術(shù)來估計最大功率。然而，這個值是一個上限，在實際場景中是達不到的。事實上，5G天線將其波段的最大值指向要服務(wù)的用戶，根據(jù)5G通信系統(tǒng)采用的調(diào)度策略，導(dǎo)致用戶的功率密度平均值下降。因此，需要進一步計算來獲得平均功率密度的實際值。文章主要討論這第二步。

文章通過一個簡化的通信系統(tǒng)確定性模型，提出了一些簡單公式，用于估計由部署在5G通信系統(tǒng)中的現(xiàn)代天線決定的電磁場功率密度降低。實驗結(jié)果表明，盡管該方法很簡單，但與最新文獻中報告的結(jié)果相比，該公式對大量用戶情況下的功率密度給出了一個合理的近似值。另外考慮到直接從包絡(luò)輻射模式圖中獲得Deq的可能性，使得文章提出的公式對于初步快速估計5G小區(qū)中的電磁場以進行人體暴露評估非常有用。

審核編輯：劉清