用于人体暴露评估5G信号的电磁场(EMF)设计

原文链接：

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

论文创新点

研究提出了一种基于通信系统的确定性模型以获得简单公式，只需要知道天线的服务区域角度扩展和包络辐射模式即可。通过研究提出的模型获得的公式可以得到功率衰减系数的有效近似值，使这些公式适用于人体暴露评估中5G小区内电磁场的初步快速估计。

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实验方法

该模型是用在一些简单的分析公式中，这些公式近似于通过在5G基站中使用有源天线系统确定的人体暴露评估衰减系数。与其他需要天线方向图详细知识的方法不同，所提出的公式只需要了解包络辐射方向图，也称为波束包络。根据功率密度评估衰减系数，EMF的降低可以直接评估为功率密度降低系数的平方根。

使用简化的2D确定性自由空间传播模型分析波束控制天线的使用对场水平的影响，如图1所示。2D模型由大量用户P组成(在圆周C上画为彩色圆圈)，每个用户覆盖(−α、α)角度范围；单位时间内服务于P(单元的用户总数)以外的N个用户，包括RU用户(参考用户，以红色圆圈表示)；M=(P−1)/(N−1)为所有P用户提供服务需要的时间；假设所有可能的辐射方向图相对于主瓣对称，并且与角度旋转相等。文章提出的方法的基本思想是比较在观测位置(角度)θ0接收到的功率密度，其中RU被放置在两个不同的场景(各向同性天线和波束控制天线)中。

如上所述，对两种情况中其他用户在场的情况下(即N>1)，求观测点的功率密度之比。这个比率称为Fant：

表明EMF功率降低与基站服务的角度扇区扩展以及天线的方向性成反比。

图1. 简化的2D空间传播模型。

该模型是为波束控制和波束网格天线开发的。在用户众多的情况下，Fant可以近似为：

其中D’(θ0)=β(θ0)D。实际上，根据上述近似，使用波束网格的效果相当于减少公式中的方向性。D0与RU方向的包络辐射模式一致。

模型还可扩展到分析每个用户只有一层的多用户大规模MIMO天线的情况，表明在对天线波束进行适当假设的情况下，可以在不明确了解MIMO系统层数的情况下估计衰减参数。

其中，Dsb是供应商提供的单波束天线方向图的方向性。Dsb值可通过供应商提供的包络辐射模式图获得。

将估算2D几何体中Fant所遵循的步骤并行化，只需稍作修改，就可以将积分扩展到3D，从而在N较大的相关情况下获得以下近似值：

其中ω是天线所服务区域的立体角，Deq是等效方向性，其值取决于天线。

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实验结果

将文章提出的简单确定性模型获得的结果与统计模型的结果进行比较。如图2为波束转向情况，针对单位时间内服务的不同用户数N绘制了8个元素的均匀线性相位阵列和α=π/2情况下Fant的CDF；第95百分位的线显示为黑色垂线。将黑线与N=200的情况(粗红曲线)进行比较。

可以看出，单位时间内的用户数量越多，出现大量用户集群的可能性越小。因此，当N较大时，统计模型趋向于确定性模型。其中的CDF趋向于高度集中在π/(αD’)值上(图中的垂直实线)，使得π/(αD’)成为大N时95百分位值的合理近似值。同样的结论适用于波束网格天线和多用户MIMO天线的情况，如图3和图4所示。

图2. 波束转向情况下8个元素的均匀线性相位阵列和α=π/2的Fant的CDF。

图3.波束网格天线的情况下8个元素的均匀线性相位阵列和α=π/3的Fant的CDF(波束交叉为3dB，β=0.5)。

图4. MIMO模型对覆盖角为2α=2π、层数为L=2和L=3的8个和16个单元的ULA天线进行了模拟。

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总结与展望

在人员安全合规性框架中的相关值是标准规定的一段时间内测量点处的功率密度或场平均值。从测量数据开始，可以使用功率外推技术来估计最大功率。然而，这个值是一个上限，在实际场景中是达不到的。事实上，5G天线将其波段的最大值指向要服务的用户，根据5G通信系统采用的调度策略，导致用户的功率密度平均值下降。因此，需要进一步计算来获得平均功率密度的实际值。文章主要讨论这第二步。

文章通过一个简化的通信系统确定性模型，提出了一些简单公式，用于估计由部署在5G通信系统中的现代天线决定的电磁场功率密度降低。实验结果表明，尽管该方法很简单，但与最新文献中报告的结果相比，该公式对大量用户情况下的功率密度给出了一个合理的近似值。另外考虑到直接从包络辐射模式图中获得Deq的可能性，使得文章提出的公式对于初步快速估计5G小区中的电磁场以进行人体暴露评估非常有用。

审核编辑：刘清